敞開式循環冷卻水系統由冷卻塔、循環水泵、循環水管線和換熱設備組成其基本的部分。此外，為了防止循環冷卻水系統發生腐蝕和污垢等危害，現代的敞開式循環冷卻水系統還增設了投加水處理藥劑的設施，有時還設有旁路濾池和附設的補充水預處理設施及排污處理設施。

冷卻塔是冷卻水系統的重要設備，冷卻塔形式較多，大致可分為自然通風和機械通風兩大類。自然通風又有開放式和風筒式：機械通風類有抽風式(又可分橫流式和逆流式)和鼓風式。根據冷卻塔內淋水型式的不同可分為噴水式、點滴式、薄膜式和點滴薄膜式等。

熱水由冷卻塔的配水系統均勻地分布到淋水裝置(又稱為填料)上，填料將水多次濺散或形成水膜，可以與空氣接觸并增加水和空氣的熱交換強度。為提供穩定的空氣流量，自然通風冷卻塔常建造較高的風筒以保證足夠的空氣流量，并將排出冷卻塔的濕熱空氣送往高空，機械通風冷卻塔靠風機的作用抽出或鼓進空氣。冷卻塔有使空氣均勻分布的百葉窗、防止較大的風吹損失的收水器等。冷卻后的水收集在集水池中，由循環泵吸取送往冷卻水用戶。

一些使用冷卻水的換熱設備是管式熱交換器。冷卻水在管內或管外流動，吸收另一側的工藝流體通過熱交換管壁傳來的熱量。還有一些冷卻水用戶將冷卻水與需要冷卻的工藝物料，如氣體或熱固體接觸而換熱。

近年來，循環冷卻水系統還采用旁濾池過濾一部分冷卻水，達到限制水中的懸浮固體含量、防止污垢產生的目的。