G-M制冷机的工作原理为:西蒙膨胀制冷+回热器换热+活塞往复移动以实现冷腔体积的循环变化。其工作过程主要分为四阶段(见图32-9b) :①等容充气过程1-2:进气阀开，系统升压;②等压充气过程2-3:进气阀开，活塞上行，气体经回热器预冷;③等容放气过程3-4(也可看作绝热过程):进气阀关，排气阀开，绝热放气，气体降温;④等压放气过程4-1:活塞下移，低温气体经换热器排出时吸热制冷，再经回热器复温。
起初G-M制冷机主要应用于地面卫星接收站，用来冷却参量放大器等电子元件，后来两级G-M制冷机在低温真空泵(主要服务于半导体制造业)的冷却上获得了广泛应用.这也是过去十几年中小型低温制冷机最大的商业应用。仅在美国，在KT世纪90年代的十年中，就有约200000台低温真空泵被制造出来，而它们几乎全部靠G-M制冷机来冷却。
索尔文(Solvay)制冷机类似于G-M制冷机，不同之处仅在于低温端使用活塞而不使用排出器。其缺点是明显的，因为活塞使用高压密封，而排出器使用低压密封，这一细微的差别导致了G-M制冷机较广泛的应用。事实上G-M制冷机就是在索尔文制冷机的基础上发展起来的，因而有时称G-M制冷机为改进的索尔文制冷机。
