空気よりも熱容量が大きい水（冷却液）を冷却に用いる方法。CPUに水を循環させるヘッドを接触させて、熱を水で持ち去り、外部のラジエータで放散させる。ラジエータには空冷ファンを付け、冷却能力を高めることが多い。CPU以外にGPUの冷却のためのキットも市販されている。
大型汎用機では普及している方法であるが、一般的なパソコンに用いるには構成部品が多く大がかりになりすぎ、また定期的なメンテナンスも必要であり、水漏れなどが発生すれば高価なパーツを破壊するリスクもある。
一般に空冷式より高価かつ複雑になることなどから簡便に用いることのできるものではなかった。技術の熟成により信頼性が上がり、値段も空冷クーラーと遜色ない製品が流通するようになり、冷却性能の高さに加え、ファンによる騒音を嫌って静粛性を求めるユーザーが水冷式を用いることが多い。
パソコン分野での水冷は「本格水冷」と「簡易水冷」に大別される。
水冷型のクーラーは、強制空冷式のCPUクーラーでは存在したファンによる風の流れが限定的となるため、その設置の状況によってはマザーボード上のチップセットやメインメモリーなどの他のパーツ機材の冷却が疎かになる可能性があり、導入する際には、ほかの冷却機構との兼ね合いを考慮する必要がある。
液浸冷却.
一般ではまず利用されることはないが、僅かに市販されている専用PCやキットは非常に高額である。自作する場合は魚類用の水槽に精製水やオイルを満たしてパーツ一式を浸すものが多く、マニアが公開している物やPCショップの展示品等で見ることができる。市販品で水没を想定したパーツはほとんど存在しないので長期的な運用は難しく、コストやメンテナンス性も良くはないので水冷以上にハードルが高い。
水中データセンター.
自然環境下での水中データセンターを実現するための検証実験が官民で行われている。冷却に湖水や海水を使うことで大規模な冷却施設と土地が不要になる、空調を駆動するための電気代を抑えられる他、人間が内部に入らないため事故率も地上より低いというメリットがある。
冷凍機を用いた冷却.