二氧化碳培养箱是通过在培养箱箱体内模拟形成一个类似细胞/组织在生物体内的生长环境，如稳定的温度(37°C)、稳定的CO2水平(5%)、恒定的酸碱度(pH值：7.2-7.4)、较高的相对饱和湿度(95%)，来对细胞/组织进行体外培养的一种装置。广泛应用于细胞、组织培养和某些特殊微生物的培养，常见于细胞动力学研究、哺乳动物细胞分泌物的收集、各种物理、化学因素的致癌或毒理效应、抗原的研究和生产、培养杂交瘤细胞生产抗体、体外授精(IVF)、干细胞、组织工程、药物筛选等研究领域。
用户对二氧化碳培养箱都有两条最基本的要求，一是要求二氧化碳培养箱能够对温度、二氧化碳浓度和湿度提供最精确稳定的控制，以便于其研究工作的进展;二是要求二氧化碳培养箱能够对培养箱内的微生物污染进行有效的防范，并且能够定期消除污染，以保护研究成果，防止样品损失。
一、微处理控制系统
微处理控制系统是维持培养箱内温度、湿度和CO2浓度稳态的操作系统。微处理控制系统和其它各种功能附件(如高低温自动调节和警报装置、CO2警报装置、密码保护设置等)的运用，使得二氧化碳培养箱的操作和控制都非常的简便。如：LEEC的PID微处理器触摸屏控制系统，它能严格控制气体的浓度并将其损耗降至极低水平，以保证培养环境恒定不变，且能保证长期培养过程中箱内温度精确，并有液晶显示，图形化过程监控、干预事件记录等。此外报警系统也是不可少，它能让你及时知道培养箱出现的情况，并做出反应，从而最大限度地降低了损失，保证实验的连续性。有些培养箱有声/光报警装置，温度变化达±0.5℃，或CO2浓度变化达±5%时，即会自动报警;有些具有CO2浓度异常报警显示功能;有些具有低压、断电报警功能。这些装置都是为了方便使用者，以减少繁琐枯燥的实验过程而设计的。
二、加热方式
气套式加热和水套式加热，两种加热系统都是精确和可靠的，同时它们都有着各自的优点和缺点。水套式加热是通过一个独立的水套层包围内部的箱体来维持温度恒定的，其优点：水是一种很好的绝热物质，当遇到断电的时候，水套式系统就可以比较长时间的保持培养箱内的温度准确性和稳定性，有利于实验环境不太稳定(如有用电限制或经常停电)的用户选用。气套式加热是通过遍布箱体气套层内的加热器直接对内箱体进行加热的，又叫六面直接加热。气套式与水套式相比，具有加热快，温度的恢复比水套式培养箱迅速的特点，特别有利于短期培养以及需要箱门频繁开关取放样的培养。此外，对于使用者来说气套式设计比水套式更简单化(水套式需要对水箱进行加水、清空和清洗，并要经常监控水箱运作的情况，还有潜在的污染隐患)。
二、二氧化碳浓度控制
红外传感器(IR)或热导传感器(TC)进行测量。两种传感器各有优缺点。热导传感器监控CO2浓度的工作原理是基于对内腔空气热导率的连续测量,输入CO2气体的低热导率会使腔内空气的热导率发生变化,这样就会产生一个与CO2浓度直接成正比的电信号。TC控制系统的一个缺点就是箱内温度和相对湿度的改变会影响传感器的精确度。当箱门被频繁打开时，不仅CO2浓度，温度和相对湿度也会发生很大的波动，因而影响了TC传感器的精度。当需要精确的培养条件和频繁开启培养箱门时，此控制系统就显得不太适用了。红外传感器(IR)它是通过一个光学传感器来检测CO2水平的。IR系统包括一个红外发射器和一个传感器，当箱体内的CO2吸收了发射器发射的部分红外线之后，传感器就可以检测出红外线的减少量，而被吸收红外线的量正好对应于箱体内CO2的水平，从而可以得出箱体内CO2的浓度。由于IR系统是通过红外线减少来确定箱内CO2浓度，而箱体内颗粒物能够反射或部分吸收红外线，使得IR系统对箱体内颗粒物的多少比较敏感，IR传感器应用在进气口具有HEPA高效空气过滤器的培养箱较合适。
三、相对湿度
箱内湿度对于培养工作来说是一项非常重要然而又经常被忽略的因素。维持足够的湿度水平并且要有足够快的湿度恢复速度(如在开关门后)才能保证不会由于过度干燥而导致培养失败。目前大多数的二氧化碳培养箱是通过增湿盘的蒸发作用产生湿气的(其产生的相对湿度水平可达95%左右，但开门后湿度恢复速度很慢)。尽量选择湿度蒸发面积大的培养箱，因为湿度蒸发面积越大，越容易达到最大相对饱和湿度并且开关门后的湿度恢复的时间越短。
五、污染物的控制
污染是导致细胞培养失败的一个主要因素，二氧化碳培养箱的制造商们设计了多种不同的装置去减少和防止污染的发生，其主要途径都是尽量减少微生物可以生长的区域和表面，并结合自动排除污染装置来有效防止污染的产生。例如，鉴于CO2培养箱在使用过程中有时会伴有霉菌生长，为确保培养箱免受污染且保证仪器箱体内的生物清洁性，有些公司开发设计了带有紫外消毒功能的CO2培养箱;还有公司设计HEPA高效滤器能过滤培养箱内空气，可过滤除去99.97%的0.3um以上的颗粒。