恒温恒湿试验箱由制冷系统、加热系统、控制系统、湿度系统、空气循环系统和传感器系统等组成，所述系统分属电气和机械制冷两大方面。下面简单介绍几个主要系统的工作原理和工作过程。
1、制冷系统
制冷系统是恒温恒湿试验箱的关键部分之一。一般来说，恒温恒湿试验箱的制冷方式都是机械制冷以及辅助液氮制冷。机械制冷采用蒸气压缩式制冷，该制冷方式是人工制冷中应用广泛而又经济的制冷方式之一。蒸气压缩式制冷型式有：（1）单级制冷；（2）多级制冷；（3）复合式制冷。蒸气压缩式制冷系统主要由压缩机、冷凝器、节流机构和蒸发器组成。由于试验时的温度低温要达到-50℃，单级制冷难以满足要求，因此恒温恒湿试验箱的制冷方式一般采用复合式制冷。
2、加热系统
恒温恒湿试验箱的加热系统相对制冷系统而言，是比较简单的。它主要由大功率电阻丝组成。由于恒温恒湿试验箱要求的升温速率较大（一般都要求在上升2℃/min），因此恒温恒湿试验箱的加热系统功率都比较大。3、控制系统
控制部分是恒温恒湿试验箱的核心，它决定了试验箱的升降温速率、精度等重要指标。现有恒温恒湿试验箱的控制器大都采用PID控制，也有少部分采用PID与模糊控制相结合的控制方式。4、湿度系统
湿度系统分为加湿和除湿两个子系统。恒温恒湿试验箱的加湿方式一般采用蒸气加湿法，即在试验箱内直接用电阻丝对水进行加热，从而使水蒸气来加湿。这种加湿方法加湿能力强，速度快，加湿控制灵敏，尤其在降温时容易实现强制加湿。但是试验箱内必须注意保持清洁，否则容易造成加湿盘的污染。恒温恒湿试验箱的除湿方式有机械制冷除湿和干燥器除湿两种：
（1）机械制冷除湿的除湿原理是将空气冷却到露点温度以下，使大于饱和含湿量的水气凝结析出，这样就降低了湿度。
（2）干燥器除湿是利用气泵将试验箱内的空气抽出，并将干燥的空气注入，同时将湿空气送入可循环利用的干燥器进行干燥，干燥完后又送入试验箱内，如此反复循环进行除湿。
现在大部分恒温恒湿试验箱采用前一种除湿方法。后一种的除湿方法，可以使露点温度达到0℃以下，适用于有特殊要求的场合，但费用较高。
5、传感器系统
恒温恒湿试验箱的传感器主要是温度和湿度传感器。温度传感器应用较多的是铂电阻，也有采用热电偶。湿度的测量方法有干湿球温度计法和固态电子式传感器直接测量法两种。其中干湿球法测量精度不高，现在的恒温恒湿试验箱正逐步的以固态传感器代替干湿球来进行湿度的测量。6、空气循环系统
空气循环系统一般由离心式风扇和驱动其运转的电机构成，其中有固定转速的和自动调节转速的两种。固定转速的如果要调节试验箱内的温度，是通过调节电阻丝的发热来控制的，它的控制相对风扇可以自动控制的比较简单。7、温湿度控制
温湿度控制主要表现在温湿度的精确度，基本上普通的温湿度试验箱温度可上下2℃，湿度可上下10个百分点。相对来说比较好的温湿度试验箱能够实现温度上下0.5℃，湿度上下5个百分点。对于普通的测试，或者国际标准来讲前面的试验箱就可以满足要求。8、PCB板中温湿度测试和失效
在温湿度环境测试中都会碰到温度变化率的问题，如果温度变化快则会变成温度冲击，而温度变化慢了又造成测试时间太长，不符合经济效益。一般来讲，温度变化率定为20℃/h。低温条件下不能直接把PCB板取出，以防止产生凝结水导致短路等现象发生。一般低温低湿条件可以不考虑，主要原因是失效在此条件下产生得比较少，还有就是能失效低温低湿的设备相对来说要贵很多，如非必要可以不做。
再有就是每次用恒温恒湿试验箱进行测试时必须要做的事是在测试前后把恒温恒湿试验箱的温度和湿度调到一个固定的设定值，以确保温湿度控制箱的工作正常并延长使用寿命，具体的温湿度值是23℃和50%。