超低温冰箱一般有卧式和立式两种箱体。内箱体一般分为多个承物层，每层均设计有可独立开关的内门。外箱体一般由五块冷轧钢板相互直接拼接而成。箱体内外各有60mm和80mm的聚亚氨脂泡沫材料构成。自动调温器为铂电阻敏感器，用于对温度的精确控制。制冷剂现在一般采用环保型制冷剂，以达到环保要求。
超低温冰箱的制冷系统基本采用复叠式制冷的工作原理，选用两台全封闭压缩机作为高、低温级压缩机使用。低温级蒸发器的紫铜管以盘管形式直接盘附于内箱体外侧，并用导热胶泥填堵于盘管与箱壁之间的缝隙中，以增加热交换效果。冷凝蒸发器为壳管式结构，内部为四管螺纹型紫铜管，采用逆流式热交换方式。
低温级系统中还加配有气热交换器，可使从蒸发器出来的低压气体同进入冷凝蒸发器前的高压气体进行热交换，这样不但减少了冷凝蒸发器的热负荷，而且充分利用了热量。过滤器多采用除蜡型过滤器，其目的是有效去除冷冻油中的石蜡，以降低系统“油堵”的可能性。
此外超低温冰箱根据不同的使用用途还可以选配一些附件，例如，温度记录仪，便于永久记录运行参数;二氧化碳备用系统，用于特殊情况下，保证保存环境的气体保持正常状态;电压增压器，可保证压缩机在低压状态下正常工作。
超低温冰箱一般采用二级制冷，第一级的制冷剂为R-12(23.Ooz，28.349523g)，设计压力高压为400ppsi(1ppsi=6.89476X10‘Pa)，低压为90ppsi。第二级制冷的冷凝器和第一级制冷的蒸发器是放在一起的;第二级的制冷剂为R-503(8.50z)和R-290(0.70z)的混合体，设计的高低压均为300ppsi。感温探头为热敏电阻，根据阻值的大小(即温度的高低)在面板上显示不同的温度。
接通电源时，当面板显示温度比设定的温度高时，第一级压缩机首先启动，第一级制冷系统开始工作，使得第二级制冷系统的冷凝器温度下降，即第二级的制冷剂温度下降，经几分钟的延时后，第二级制冷系统也开始工作，它的蒸发器在冰箱内壁，这可使冰箱内部温度下降很多，它的冷凝器放出的热量全部由第一级制冷系统的蒸发器吸收，第一级冷凝器放出的热量则散人空气中。
当冰箱内部温度达到设定温度后，感温探头电阻把信息传出，控制继电器失电断开，两级制冷系统全部停止工作。当冰箱内温度再次升高，超出设定的温度时，冰箱再次重复上述运作过程，从而使冰箱内温度始终保持在设定的温度左右
生物化学与分子生物学实验室中可以根据冷冻条件购置不同的控制温度的冰箱，如-20℃、-40℃、-70℃、-85℃、-152℃等。其中后两者为超低温冰箱(ultra-lowtemperaturefreezer)，是20世纪后期发展起来的用于生物样品或药品的低温保存和储藏的设备，在生物研究、临床、医药和工业等领域都具有广泛的用途。
超低温冰箱可用于保存药物、疫苗、酶、激素、干细胞、血小板、精液、移植的皮肤以及从人体抽取的标本、植物种子的种质库、基因克隆库和一些重要的生物和化学试剂等。
在分子克隆实验中，—70℃超低温冰箱被广泛用于储存感受态大肠杆菌、感受态细胞和入噬菌体原种。
国外超低温保存技术发展较早，产品也较成熟，其中尤以日本SANYO、美国FORMA、NUAIRE、REVCO等的—85℃超低温冰箱为代表。这些超低温冰箱一般都具有比较齐全的设备运行保证功能。例如，高温警报功能，停电、过滤网堵塞检测功能，自动输入补助功能，样品安全性警报系统，微处理和模拟控制系统，二氧化碳备用系统和记录仪系统等。
一般考察超低温冰箱的性能时，应从最低制冷温度、体积大小、外形特点(卧式或立式)、压缩机噪音大小、震动幅度、箱体内的温度均一性、故障率(尤其是压缩机)和选配件种类等结合自己的使用要求和实验室的空间排布等情况进行全面考虑。
未来主要关注超低温冰箱的可靠性和能够满足不同样品的储存条件，包括温度和气体组成。此外，有些公司为了满足生物材料对温度均一性的较高要求，在冰箱货架中采用了用于冷却的金属圈，或者将货架设计为孔形，解决散热问题，提高冷冻速度和增加温度的一致性。
未来超低温冰箱的设计还必须考虑节能和对环境保护的要求，要配有环境检测系统。同时，纳米材料也将成为未来超低温冰箱制备中很有前途的材料。