Mỗi lần piston nén hỗn hợp xăng và không khí rồi bugi đánh lửa để đốt cháy, nhiệt độ trong buồng đốt có thể tăng vọt lên 2.000-2.500 độ C trong tích tắc, dù chỉ tồn tại trong khoảnh khắc rất ngắn. Nếu nhiệt này không được lấy đi liên tục, các chi tiết kim loại xung quanh như thành xi-lanh, piston, nắp máy sẽ dần tích tụ nhiệt và nóng lên đến mức giãn nở vượt quá dung sai thiết kế - piston có thể bó cứng trong xi-lanh, dầu nhớt bốc cháy mất khả năng bôi trơn, và trong trường hợp nặng nhất, kim loại có thể biến dạng vĩnh viễn khiến động cơ hỏng hoàn toàn.

Hệ thống làm mát bằng nước, phổ biến trên ô tô và nhiều xe máy hiện đại, hoạt động bằng cách bơm dung dịch làm mát tuần hoàn qua các đường ống bao quanh xi-lanh và nắp máy, hấp thụ nhiệt rồi mang tới bộ tản nhiệt ở phía đầu xe - nơi luồng không khí đi qua khi xe chạy, hoặc quạt điện khi xe đứng yên, sẽ giải phóng bớt nhiệt ra môi trường trước khi dung dịch quay trở lại làm mát tiếp. Một số xe máy dung tích nhỏ dùng hệ thống làm mát bằng không khí đơn giản hơn, dựa vào các lá tản nhiệt kim loại gắn quanh xi-lanh để tăng diện tích tiếp xúc, giúp gió tự nhiên khi xe chạy cuốn bớt nhiệt đi mà không cần bơm nước hay quạt.

Đồng hồ đo nhiệt độ nước làm mát trên bảng táp lô ô tô là công cụ trực quan nhất để tài xế theo dõi tình trạng này - nếu kim chỉ vượt vào vùng đỏ, nghĩa là hệ thống làm mát đang gặp vấn đề như thiếu nước, rò rỉ, quạt hỏng và cần dừng xe ngay để tránh hư hỏng động cơ nghiêm trọng. Có không ít trường hợp tài xế vẫn cố chạy tiếp khi đèn báo nhiệt độ cao đã sáng, dẫn đến hậu quả phải đại tu hoặc thay cả cụm động cơ với chi phí rất lớn, trong khi chỉ cần dừng xe kịp thời sự cố ban đầu có thể chỉ là một đường ống nước bị thủng nhỏ.

Nhiều người nghĩ chỉ cần đổ đầy nước làm mát là động cơ sẽ không bao giờ quá nóng nữa, nên khi thấy đèn báo nhiệt độ chỉ đơn giản châm thêm nước rồi tiếp tục đi. Thực tế nước làm mát chỉ là một phần của cả một hệ thống gồm bơm nước, quạt tản nhiệt, van hằng nhiệt và bộ tản nhiệt - nếu bất kỳ bộ phận nào trong số đó hỏng, như bơm nước không tuần hoàn được dung dịch hay quạt không quay, động cơ vẫn có thể quá nhiệt dù bình chứa vẫn đầy nước, vì vấn đề không nằm ở lượng nước mà ở khả năng tuần hoàn và tản nhiệt của toàn hệ thống.