直冷式冰櫃的工作原理主要依賴於蒸發器內的製冷劑。蒸發器通常位於冰櫃的冷凍室內，與冷凍室的內壁直接接觸，形成熱交換。當壓縮機啟動時，製冷劑以高壓氣體形式進入冷凝器，在冷凝器中釋放熱量後，轉變為液態製冷劑。液態製冷劑隨後流經乾燥過濾器、電磁閥和毛細管，最終到達蒸發器。
在蒸發器內，製冷劑吸收熱量，使冷凍室內的溫度下降。由於蒸發器與冷凍室內壁直接接觸，因此可以有效地降低冰櫃內部的溫度。這種降溫過程會導致冰櫃內部空氣中的水分在冷卻的表面上凝結成霜，這是直冷式冰櫃的一個顯著特點。
直冷式冰櫃的優點包括其簡單直接的設計和相對較高的能效。由於沒有使用風扇來強制空氣循環，直冷式冰櫃的運行更加安靜，並且相對風冷冰櫃來說，結構更為簡單。另外，直冷式冰櫃通常具有較小的製冷容積，適合於較小的家庭或空間。
總的來說，直冷式冰櫃通過自然對流的方式實現製冷，即通過蒸發器與冰櫃內壁的直接接觸來交換熱量，從而降低冰櫃內部的溫度。