Det er noen hovedforskjeller mellom en vannkjølt og luftkjølt motor.
Luftkjølte motorer utnytter en motorsylinderdesign som inkorporerer kjølefinner hele veien rundt sylinderen og på toppen av stempelhyllehodet. Disse finner trekker varmen vekk fra sylinderen og utstråler varmen. Når kjøretøyet kjøres, blir luften rettet over finnene for å avlevere enda mer varme. Noen kjøretøy kan innlemme en bånddrevet eller elektrisk vifte for å blåse over finnene for å hjelpe med å holde motoren avkjølt. Noen motorer bruker varmluften ut av motoren for å varme opp kabinettets indre. Motorer som avkjøles med luft har en vanskeligere tid å opprettholde en konstant driftstemperatur. Dette kan påvirke motorens drift under kaldere forhold eller ekstreme varmeforhold.
I stedet for finner som brukes til å holde motoren kjølig, i vannkjølte motorer, støpes motorblokken og hodene solidt, men med indre passasjer i hele motorblokken rundt sylinderene og over sylinderen i sylinderhodet. Motoren vil bruke en vannpumpe som er koblet til disse passasjer på motoren. Vannpumpen kan kjøres med belte, gir eller elektrisk motor. Systemet har en radiator som brukes til å utstråle varmen fra vannet (kjølevæsken) som strømmer gjennom motoren. En termostat settes inn i en passasje fra motoren til radiatoren. Vann- eller kjølevannstemperaturen opprettholdes av termostaten. Termostaten regulerer strømmen av kjølevæske inn i radiatoren. Når vannpumpen er vendt, pumpes kjølevæsken gjennom motoren. Kjølevæsken absorberer og overfører motorens varme fra forbrenningsprosessen. Når kjølevæsken blir oppvarmet, vil termostaten tillate strømmen å bli begrenset til radiatoren inntil kjølevæsketemperaturen når en innstilt temperatur på rundt 190 grader, når den åpner strømmen til radiatoren. Kjølevæsken strømmer deretter inn i radiatoren, og kjølevæsken blir overført til radiatorfinner som skal løsnes ut til omgivende luft som finnene på den luftkjølte motoren. Radiatoren har elektriske eller mekaniske vifter for å blåse luft over kjøleflatene. Termostaten åpner og lukker etter behov for å opprettholde en konstant motor, intern kjølevannstemperatur; Motortemperaturen styres bedre som luftkjølte motorer. Kjølevæsken kan også føres inn i passasjerommet for å strømme gjennom en liten radiator kalt en varmekjerne for å varme inn kjøretøyets indre.
Enkelte motorer kan bruke en hybrid-konstruksjon som bruker et vannkjølesystem blandet med noen av de luftkjølte motoregenskapene for å holde motoren avkjøl og for å lette ekstra vekten av et fullstendig vannkjølesystem. Disse systemene kan bruke mindre radiatorer eller tynne lette radiatorer og motordesigner som har luftkjølte områder for å spre varme.
Fordelene med luftkjølte motorer er at de er lettere uten bruk av radiatorer, vannpumper, termostater, kjølevæske eller slanger. Ulempene er at de ikke kan varme opp raskt og ikke kan opprettholde en konstant motortemperatur. Dette vil påvirke motorens ytelse og utslipp i klimaendringer som ekstrem kulde eller varme temperaturer. En kald motor krever at drivstoffet skal kjøre riktig.
Fordelene med vannkjølte motorer er at de kan varme opp raskt og opprettholde motortemperaturen bedre enn luftkjølt design. Dette bidrar til å opprettholde motorens ytelse og utslipp. Ulempene ved en vannkjølt motor er den økte vekten av motordesignet sammen med ekstra vekt av kjølesystemkomponenter som radiator, vannpumpe, kjølevæske og slanger.