水冷式冷水機組具有與冷卻塔相連的水冷冷凝器。它們通常用于供水充足的中型和大型裝置。由于相對獨立于環境溫度的波動，水冷式冷水機可以為商業和工業空調提供更穩定的性能。水冷式冷水機組的尺寸范圍從 20 噸的小型型號到數千噸的型號，可為世界上最大的設施（如機場、購物中心和其他設施）提供冷卻。
典型的水冷式冷水機組使用來自冷卻塔的再循環冷凝水來冷凝制冷劑。水冷式冷水機組包含的制冷劑取決于進入冷凝器的水溫（和流速），其功能與環境濕球溫度有關。由于濕球溫度始終低于干球溫度，因此水冷式冷水機中的制冷劑冷凝溫度（和壓力）通常會明顯低于風冷式冷水機。因此，水冷式冷水機組可以更有效地運行。
水冷式冷水機通常安裝在室內，遠離自然環境。因此，水冷式冷水機可以提供更長的使用壽命。水冷式冷水機組通常是大型安裝的唯一選擇。與風冷式冷水機組相比，額外的冷卻塔系統將需要額外的安裝費用和維護費用。