A válvula termostática é um dispositivo automático, que tem a função de normalizar rapidamente a temperatura do motor e permitir a sua estabilização ideal durante todo o tempo de funcionamento do mesmo, independente da carga do motor ou de fatores externos.

Antes da água de arrefecimento atingir a temperatura ideal, a válvula termostática permanece semiaberta, permitindo a passagem da água para o radiador, e impedindo a circulação diretamente para o bloco através da passagem de derivação para a bomba d'água, evitando-se dessa forma que aconteça um choque térmico no bloco do motor.

A tampa do radiador possui duas válvulas. Uma maior e outra menor. A maior limita a pressão formada pelo aquecimento da água, e a menor localizada no centro da tampa, limita a depressão que se forma com o esfriamento da água (exemplo: uma parada prolongada do motor após um período de funcionamento).

Quando a água do arrefecimento está fria, a válvula termostática impede a circulação da mesma pela colmeia do radiador, permitindo somente sua circulação pelo interior do bloco e cabeçote do motor através da passagem de derivação para a bomba d'água.