Das erwärmte Kühlwasser wird dem Kühlturm zugeleitet und über Sprühdüsen auf das Füllkörperpaket (Wärmeaustauscher) gleichmäßig verteilt und rieselt durch diesen Wärmetauscher nach unten in das Wassersammelbecken, während die von einem Ventilator angesaugte Luft im Gegenstrom durch den Kühlturm gesaugt wird.
Durch die optimierte Durchmischung der Luft mit dem herabrieselnden Wasser verdunsten etwa 2 % der Kühlwassermenge und das Wasser kühlt sich durch die Verdunstungswärme sowie - je nach Betriebspunkt - zusätzlich durch Konvektion ab. Die erreichbare, kühlste Wassertemperatur ist nicht nur von der fühlbaren Lufttemperatur, sondern auch von deren Wasserdampfgehalt (ausgedrückt durch die Kühlgrenztemperatur bzw. Feuchtkugeltemperatur) abhängig.
In den kühleren Jahreszeiten sind so Wassertemperaturen erreichbar, die teilweise unter der Leitungswassertemperatur liegen. An Sommertagen mit hoher Luftfeuchtigkeit kann die Feuchtkugeltemperatur Werte von 18 °C - 21 °C in Mitteleuropa erreichen. Dann ergeben sich je nach Kühlturmgröße Wassertemperaturen von 22 °C - 25 °C. Je kleiner die Annäherung an die Feuchtkugeltemperatur sein soll, umso größer wird der Kühlturm.
Um einen Kühlturm wirtschaftlich auszulegen, sollte daher der Kühlgrenzabstand (Abstand zwischen Feuchtkugeltemperatur und Kaltwassertemperatur) nicht unter 4 °C liegen.