恒温水槽实现恒温的过程主要分为三个关键步骤：测温、加热和调节控制。
首先是测温环节，这一步就像是给恒温水槽安装了一个 “温度眼睛”。恒温水槽一般内置工业用铂电阻，它能敏锐地感知水槽内液体的温度变化，并将测得的温度值转化为相应的电阻信号。这个电阻信号会被传输给配套的显示调节仪表，仪表就会将温度以数字的形式清晰地显示出来，让用户随时了解水槽内的实际温度。
当水槽内的温度因为热量向外扩散等原因低于设定值时，加热环节就开始发挥作用了。恒温水槽主要依靠电加热管来给液体加温。一旦温度低于设定值，继电器就会立即行动起来，迫使电加热器自动开始工作。电加热管迅速发热，将热量传递给周围的液体，使水温逐渐升高。
而调节控制环节则是确保恒温水槽能够精确恒温的核心步骤，它有两种常见的方法。第一种方法是通过继电器来控制电加热管的工作。当恒温槽内温度低于设定温度时，温度显示调节仪表会输出信号给继电器，继电器导通，电加热管开始加热；当温度高于设定值时，温度显示调节仪表会断开继电器，电加热管暂停加热，以此来实现恒温。然而，这种方法存在一定的局限性，由于加热管具有热惯性，当温度达到设定值后，即使电加热管停止加热，它本身残留的热量仍会继续影响水温，导致恒温槽内温度在设定温度的上下起伏较大，就像一个不太稳定的小波浪。
为了解决这个问题，人们发明了第二种调节控制方法，即通过可控硅来控制加热器的加热功率。温度显示调节仪表会根据实际温度与设定温度之差进行 PID（比例、积分、微分）调节。简单来说，比例调节可以快速对温度偏差做出响应，积分调节能消除温度的稳态误差，微分调节则可以预测温度的变化趋势，提前做出调整。经过 PID 调节后，仪表控制可控硅导通，从而精确控制加热管的加热功率。当实际温度与设定温度相差较大时，加热功率就会增大，加快升温速度；当温度接近设定值时，加热功率会逐渐减小，使温度变化更加平缓。当达到设定温度时，调节仪通过可控硅使电热管产生的热量与散失的热量达到平衡，就像天平的两端保持平衡一样，从而实现精准恒温 。