Systemy hybrydowe wykorzystują rozbudowane, wieloobwodowe schematy chłodzenia, by zapewnić optymalne warunki pracy jednocześnie dla silnika spalinowego, silnika elektrycznego, inwertera, a w nowszych modelach również akumulatora trakcyjnego HV. Podstawą całego układu pozostaje klasyczny obwód chłodzenia silnika spalinowego z chłodnicą (radiatorem) i termostatem, jednak hybrydy mają co najmniej jeden dodatkowy niezależny obieg dedykowany elementom wysokonapięciowym. Osobna chłodnica (lub wymiennik ciepła, a czasem nawet kilka) oraz pompa obiegowa płynu dedykowane są inwerterowi, silnikowi e oraz (w niektórych modelach) baterii HV. Często spotykane są aktywne wentylatory wspomagające obieg powietrza przez kanały chłodzenia akumulatora bądź odrębna klimatyzacja (chiller) dla ogniw baterii trakcyjnej. Układ chłodzenia sterowany jest automatycznie przez komputer HV – na podstawie pomiarów temperatur, prędkości obrotowej pomp oraz warunków pracy układ dopasowuje intensywność chłodzenia do aktualnych potrzeb napędu i otoczenia. Charakterystyczny jest podział na niskotemperaturowy (bateria, inwerter, silnik e) i wysokotemperaturowy (silnik spalinowy, kolektor wydechowy) obwód. W zaawansowanych pojazdach hybrydowych spotyka się także dodatkowe wymienniki ciepła, by efektywnie odprowadzać nadmiar energii cieplnej powstającej podczas szybkiego ładowania/rozładowania baterii. Schemat chłodzenia hybrydy (w uproszczeniu) obejmuje: nagrzewnicę, chłodnicę główną, chłodnicę HV, pompę wodną mechaniczną i elektryczną, zawory przełączające, wentylatory kanałowe i czujniki temperatur. Dzięki tym rozwiązaniom hybrydy są w stanie utrzymać efektywność energetyczną przy bardzo zróżnicowanych obciążeniach i warunkach termicznych, a poszczególne podzespoły są chronione przed przegrzaniem i degradacją.
