高低溫箱主要通過制冷系統和加熱系統調節溫度。制冷系統一般采用壓縮機制冷，利用制冷劑在蒸發器和冷凝器間循環吸收與釋放熱量，降低箱內溫度；加熱系統通常采用電加熱元件，將電能轉化為熱能，使箱內溫度升高。其通過逐步升溫或降溫，使箱內溫度達到設定范圍。比如進行低溫試驗時，先啟動制冷系統，緩慢降溫至設定低溫值，升溫過程類似，依靠加熱系統逐漸加熱。

冷熱沖擊箱溫度變化速率極快，這是區別于高低溫箱的重要特點。它能在短時間內使樣品經歷巨大溫度變化，溫度變化速率可達每分鐘幾十攝氏度。在航空航天材料測試中，要求材料承受快速冷熱交替，冷熱沖擊箱可在幾分鐘內使材料從 100℃左右高溫環境快速轉移到 - 80℃左右低溫環境，有效模擬飛行中環境溫度急劇變化對材料的沖擊。

冷熱沖擊箱結構相對復雜，有高溫箱和低溫箱兩個獨立箱體，兩箱體間有連接通道用于樣品快速轉移。由于需在溫差很大的兩箱體間進行熱量隔離，防止相互干擾，其保溫要求更高。