直冷冰櫃的原理主要涉及製冷劑在系統中的循環流動。具體如下：
壓縮機。將製冷劑壓縮成高溫高壓氣體。
冷凝器。製冷劑在冷凝器中放出熱量並變成高壓液體。
蒸發器。製冷劑通過膨脹閥進入蒸發器，在蒸發器中吸收冰櫃內部的熱量並變成低溫低壓氣體。
蒸發器通常位於冰櫃的冷凍室，與冷凍室的內壁直接接觸進行熱交換。這些蒸發器由S形的製冷盤管組成，當壓縮機產生的冷氣流經管道時，管道溫度會很低，從而通過這些管道間接降低冰櫃內壁的溫度，實現熱交換，逐步降低冰櫃的溫度。當冰櫃內的空氣遇到溫度較低的冰櫃內壁時，會在其表面形成霜，這是直冷冰櫃有霜的根本原因。霜是水蒸氣的白色結晶物，當水蒸氣突然遇到溫度很低的物體時，就會在其表面凝結結霜。冰櫃結霜後會影響熱交換的效率，造成製冷能力下降，需要用戶手動去除。
此外，直冷冰櫃的蒸發器通常設計貼附在冷藏室和冷凍室的裡面或背面，通過自然對流實現製冷。越靠近冷卻管的空氣降溫越快，從而在冰櫃內部形成自然對流，降低食物的溫度，減少食物水分的流失。