制冷劑在制冷機中循環流動，通過自身熱力狀態的變化不斷與外界發生能量交換，實現制冷。

液體蒸發式制冷機中，制冷劑在要求的低溫下蒸發，從被冷卻對象中吸取熱量：再在較高的溫度下凝結，向外界排放熱量。所以，只有在工作溫度范圍內能夠汽化和凝結的物質才有可能作為制冷劑使用。多數制冷劑在常溫和常壓下呈氣態。

乙醚是最早使用的制冷劑，標準蒸發溫度為34.5℃。用乙醚作制冷劑時，蒸發壓力低于大氣壓，空氣容易滲入系統，引起爆炸。查爾斯·泰勒（Charles Tellier）用二甲基乙酰作制冷劑，其沸點為一23.6℃，蒸發壓力比乙醚高得多。1866年，威德豪森（Windhausen）提出使用CO2作制冷劑。187o年，卡爾·林德（Carl Linde）用NHa作制冷劑。從此，大型制冷機中廣泛用NHa為制冷劑。1874年拉烏爾·皮克特（Raul Pictel）用SO2作制冷劑。CO2和SOz在歷史上是曾經起過重要作用的制冷劑。SO，的標準沸點為一10℃，它作為制冷劑曾有60年之久的歷史，但毒性大，后來逐漸被淘汰。CO2的缺點是使用溫度下的壓力特別高（常溫下冷凝壓力高達8MP），致使機器設備笨重。但CO2無毒，比較安全，曾在船用冷藏裝置中延續應用了50年之久，直到1955年才被氟里昂制冷劑取代。

氟里昂是飽和碳氫化合物的氟、氯、溴行生物之總稱。18世紀后期人們就已經知道這類物質的化學組成，但用作制冷劑是1929一1930年由湯姆斯·米杰里（Thomes Midgley）首先提出的。最早使用的是R12，以后使用范圍迅速擴大。不同的氟里昂物質在熱力性質上各不相同，能適應不同制冷溫度和容量的要求；其中許多物質，尤其是氯氟烴（碳氫化合物的氟、氯完全衍生物）在物理、化學性質上有許多優點（如無毒，無燃爆危險、不腐蝕金屬、熱穩定性與化學穩定性好），便于實用，對制冷工業帶來了變革性的進步。已經成熟使用的氟里昂制冷劑以氯氟烴類物質為主（如R11，R12，R114，R115），還有某些不完全鹵代烴（如R22）以及氟里昂制冷劑的混合物（如R500，R502，R503）。1974年發現大氣臭氧層破壞的化學機制。到20世紀80年代，科學確認了氯氟烴是引起臭氧破壞和溫室效應的物質。1987年在加拿大蒙特利爾（Montreal）聯合國環境保護計劃會議簽署了“關于臭氧層衰減物質的蒙特利爾協定”。該協定規定了限制和禁止生產對臭氧層破壞作用大的物質，R11，R12，R113，R114，R115，R12B1， R13B1和R114B2是首批受禁物質，到21世紀完全停止生產。R22對環境的破壞相對小一些，但最終也將被禁止。自此開始了更新制冷劑的工作，以HFC類物質取代CFCs。高溫制冷劑用R123，中溫制冷劑用R134a和R152a，低溫制冷劑用R23。

為了實現低碳經濟，低溫室效應的制冷劑正被開發應用。天然工質（如：CO2，碳氫化合物）已成為新一代制冷劑的重要選項。工質R1234y（學名2,3,3,3四氟丙烯）的ODP為零， GWP為4，正在深人的研究和推廣應用中。