空冷、水冷、ガス冷
CPUクーラーによってCPUから吸収された熱は、最終的にはPCケースの外へ放出されるわけですが、その仕組みには空冷、水冷、ガス冷などの方式があります。
最も一般的なものは、空気の流れ（エアフロー）に任せる空冷方式です。リテール品のCPUに付属するものも含め、現在最も一般的なCPUクーラーは、ヒートシンクとファンとが組み合わさってできています。ヒートシンクは吸熱・放熱のために使われる金属製の部品で、CPUに接触させることでCPUの熱を吸収します。そしてその熱をPCケース内の空間に放出します。このときCPUファンがヒートシンクの放熱を促進します。最終的に、電源ファン、ケースファン等によって作り出されるPCケース内の空気の流れによって、熱はケース外へ排出されます。
冷却液を利用して熱を放出するものを水冷方式といいます。水冷方式のCPUクーラーは、主に水冷ヘッド、パイプ、ポンプ、ラジエータ、リザーブタンクといったパーツから構成されています。水冷ヘッドはCPUに接触し、CPUの熱を冷却液へ移します。パイプは冷却液の通り道になるパーツです。ポンプは冷却液を循環させるための装置です。ラジエータは、冷却液から熱をとり、その熱を空気中に排出するための装置です。リザーブタンクは冷却液を蓄えておくための装置です。
冷蔵庫やエアコンと同じ原理で、フロンガスなどを冷媒として利用して熱を放出するものをガス冷方式といいます。ガス冷方式は、CPUクーラーの冷却方式としては空冷や水冷に比べるとずっとマイナーです。
ファンレスCPUクーラー
空冷方式のCPUクーラーにおいて、CPUファンのないものがあります。そのようなCPUクーラーはファンレスであるといいます（ファンレスという言葉は、もっと一般に、ファンを搭載していないあらゆるパーツに対して使われます）。ヒートシンクだけのCPUクーラーがその最たる例です。また、ヒートパイプと呼ばれる熱伝導媒体を利用したCPUクーラーもその一例です。
ファンは騒音を出すパーツなので、ファンレスのCPUクーラーは静音性に優れています。しかしながら、CPUファンを搭載したものと同等の冷却能力を得るための代償としてヒートシンクを巨大化しなければならないといった制約があります。
なお、水冷方式のCPUクーラーにおいても、ラジエータに巨大なヒートシンクを搭載してファンレス化したものがあります。