自冷冰袋的原理主要有兩種，具體可參考如下：
物理原理。當水進入冰袋內部時，它會吸收並儲存周圍的熱量，從而使袋內的溫度下降，同時，袋子外側的空氣也會隨著溫度的升高而被吸入，形成一種自吸效應，這樣，冰袋中的溫度就會持續下降，達到緩解中暑、退燒、止痛等救治效果。
化學反應原理。其主要成分是水和氨水溶液，分別裝在兩個密封的袋子中，當需要使用時，兩個袋子被撕開，混合在一起產生劇烈的化學反應，這個過程釋放出大量的熱量，將袋子內部的溫度瞬間降低到零下二十攝氏度以下。
此外，還有一些冰袋利用物理吸附原理，其內含填充物大部分是冷卻劑顆粒，利用其溶於水吸熱製冷。