Les cryopompes sont généralement refroidies par de l'hélium comprimé, bien qu'elles puissent également utiliser de la neige carbonique, de l'azote liquide, ou incluent parfois un refroidisseur cryogénique intégré. Des déflecteurs sont souvent fixés sur la tête froide pour augmenter la surface disponible pour la condensation, mais ils augmentent également la captation de chaleur radiative de la cryopompe. Au fil du temps, la surface finit par saturer de condensats et la vitesse de pompage chute alors progressivement jusqu'à zéro. La surface retiendra les gaz piégés tant qu'elle reste froide, mais ne condensera pas les nouveaux gaz frais jusqu'à ce que la cryopompe soit régénérée. La saturation se produit très rapidement dans les vides faibles, ce pourquoi les cryopompes ne sont généralement utilisées que dans les systèmes où la pression est très faible, voire un ultravide.
La cryopompe permet un pompage rapide et propre de tous les gaz dans la plage de 10 −3 à 10 −9 Torr. Elle fonctionne sur le principe selon lequel les gaz peuvent être condensés et maintenus à des pressions de vapeur extrêmement faibles, permettant ainsi d'atteindre des vitesses et des débits élevés. Une cryopompe est composée d'une chambre à vide et d'une « tête froide ». La tête froide se compose d'un cylindre de tête froide à deux couches (faisant partie de la cuve à vide) et d'un unité d'entraînement, utilisée pour déplacer le module de régénération. Ensemble, ils produisent une réfrigération en cycle fermé à des températures allant généralement de 60 à 80 K pour la première couche et de 10 à 20 K pour la deuxième[5].
Certaines cryopompes comportent plusieurs couches à différentes températures, les couches externes protégeant les couches internes les plus froides. Les couches extérieures condensent les gaz à point d'ébullition élevé tels que l'eau et l'huile, économisant ainsi la surface et la capacité de réfrigération des étages intérieurs pour les gaz à point d'ébullition plus bas tels que l'azote.
La régénération d'une cryopompe est le processus d'évaporation des gaz piégés. Au cours d'un cycle de régénération, la cryopompe est réchauffée à température ambiante ou plus, permettant aux gaz piégés de passer d'un état solide à un état gazeux et ainsi d'être libérés de la cryopompe via une soupape de surpression dans l'atmosphère.
La plupart des équipements de production utilisant une cryopompe disposent d'un moyen pour isoler la cryopompe de la chambre à vide afin que la régénération ait lieu sans exposer le système à vide aux gaz libérés tels que la vapeur d'eau. La vapeur d'eau est l'élément naturel le plus difficile à éliminer des parois de la chambre à vide lors de son exposition à l'atmosphère en raison de la formation de monocouches et des liaisons hydrogène. L'ajout de chaleur au gaz de purge permet d'accélérer le réchauffement et réduira le temps de régénération.