制冷剂在制冷机中循环流动，通过自身热力状态的变化不断与外界发生能量交换，实现制冷。
液体蒸发式制冷机中，制冷剂在要求的低温下蒸发，从被冷却对象中吸取热量；再在较高的温度下凝结，向外界排放热量。所以，只有在工作温度范围内能够汽化和凝结的物质才有可能作为制冷剂使用。多数制冷剂在常温和常压下呈气态。
乙醚是最早使用的制冷剂，标准蒸发温度为34. 5℃。用乙醚作制冷剂时，蒸发压力低于大气压，空气容易渗入系统，引起爆炸。查尔斯·泰勒(Charles Tellier)用二甲基乙醚作制冷剂，其沸点为-23. 6℃，蒸发压力比乙醚高得多。1866年，威德豪森(Windhausen)提出使用CO₂作制冷剂。1870年，卡尔·林德(Carl Linde)用NH₃作制冷剂。从此，大型制冷机中广泛用NH₃为制冷剂。1874年拉乌尔·皮克特(Raul Pictel)用SO₂作制冷剂。CO₂和SO₂在历史上是曾经起过重要作用的制冷剂。SO₂的标准沸点为-10℃，它作为制冷剂曾有60年之久的历史，但毒性大，后来逐渐被淘汰。CO₂的缺点是使用温度下的压力特别高(常温下冷凝压力高达8 MPa)，致使机器设备笨重。但CO₂无毒，比较安全，钟在船用冷藏装置中延续应用了50年之久，直到1955年才被氟里昂制冷剂取代。
氟里昂是饱和碳氢化合物的氟、氯、溴衍生物之总称。18世纪后期人们就已经知道这类物质的化学组成。但用作制冷剂是1929-1930年由汤姆斯·米杰里(Thomes Midgley)首先提出的，最早使用的是R12，以后使用范围迅速扩大。不同的氟里昂物质在热力性质上各不相同，能适应不同制冷温度和容量的要求；其中许多物质，尤其是氯氟烃(碳氢化合物的氟、氯完全衍生物)在物理、化学性质上有许多优点(如无毒、无燃爆危险、不腐蚀金属、热稳定性与化学稳定性好)，便于实用，对制冷工业带来了变革性的进步。已经成熟使用的氟里昂制冷剂以氯氟烃类物质为主(如R11，R12，R114，R115)，还有某些不完全卤代烃(如R22)以及氟里昂制冷剂的混合物(如R500,R502.R503)。1974年发现大气臭氧层破坏的化学机制。到20世纪80年代，科学确认了氯氟烃是引起臭氧破坏和温室效应的物质，1987年在加拿大蒙特利尔(Montreal)联合国环境保护计划会议签署了“关于臭氧层衰减物质的蒙特利尔协定”。该协定规定了限制和禁止生产对臭氧层破坏作用大的物质， R11， R12， R113， R114， R115， R12B1，R13BI和R114B2是首批受禁物质，到21世纪完全停止生产。R22对环境的破坏相对小一些，但最终也将被禁止。自此开始了更新制冷剂的工作，以HFC类物质取代CFCs，高温制冷剂用R123，中温制冷剂用R134a和R152a，低温制冷剂用R23。
为了实现低碳经济，低温室效应的制冷剂正被开发应用。天然工质(如：CO₂，碳氢化合物)已成为新一代制冷剂的重要选项。工质R1234yf（学名2，3，3，3四氟丙烯)的ODP为零，GWP为4，正在深入的研究和推广应用中。
