冷凍式干燥機的工作原理是通過降低壓縮空氣的溫度，使壓縮空氣中的水分因飽和而析出，從而達到干燥壓縮空氣的目的。
冷干機的工作分成兩個流程：壓縮空氣流程和制冷劑流程。
1. 壓縮空氣流程
進入冷凍干燥機的被干燥的壓縮空氣，先進入預冷器中，在此與出蒸發器的已干燥的低溫冷空氣進行熱交換，其焓、溫度及含濕量下降。出預冷器的被干燥壓縮空氣的壓力露點已經降低，但還未達到干燥的要求，被干燥空氣繼續進入蒸發器。在蒸發器中與制劑進行熱交換，溫度繼續降低，在蒸發器出口，其溫度達到所要求的壓力露點。出蒸發器氣水混合物進入分離器，在氣液分離器中分離析出的水分，干空氣再進入預冷器，并與進入冷凍干燥機的熱空氣進行熱交換，使其溫度升高后排出冷干機。若在預冷器與蒸發器之間增加一個氣液分離器，使在預冷器中析出的水分得以分離，則效果更好。
2. 制冷流程
制冷壓縮機排出的高溫、高壓制冷劑氣體，進入冷凝器，放出熱量，冷凝為液體。出冷凝器的液態制冷劑通過節流機構（毛細管或膨脹閥）降壓、降溫而成為低溫的氣液二相狀態進入蒸發器，在蒸發器中與被干燥的空氣進行熱交換而汽化。過熱氣休出蒸發器后，進入制冷壓縮機進行下一個循環。冷凍干燥機蒸發器表面溫度低于0℃，將會在換熱表面結霜、結冰而影響被干燥氣體的流動，進而影響冷凍干燥機整機的工作，因此需保證蒸發器換熱表面溫度高于0℃，這就要控制冷劑的蒸發溫度不能過低。為此，在壓縮機的排氣管路上設置熱氣旁通閥，調節蒸發壓力。當蒸發壓力降到一定程度，熱氣旁通閥導通，高溫、高壓氣體直接進入蒸發器，以維持蒸發器換熱表面的溫度高于10℃。
