Термостат с двойным клапаном установлен в корпусе, в котором имеется перепускной канал.

Нижний патрубок радиатора соединяется шлангом с подводящим патрубком водяного насоса. Чугунная ступица пластмассовой крыльчатки насоса закреплена болтом с резиновой шайбой на внутреннем конце валика, установленного в корпусе насоса на двух шарикоподшипниках, имеющих по оокам уплотнения и смазываемых через пресс-масленку (ранее устанавливалась колпачковая масленка). На переднем конце валика болтом укреплена ступица, к которой болтами прикреплены приводной шкив и вентилятор с четырьмя разъемными лопастями. В холодное время переднюю двойную лопасть можно снимать; она имеет метку П, а задняя — метку.

Корпус насоса присоединен на прокладке болтами к кронштейну, отлитому вместе с отводным патрубком и прикрепленному болтами к передней плоскости головки цилиндров. Корпус, кронштейн насоса и корпус термостата отлиты из алюминиевого сплава.

Валик в корпусе насоса уплотнен самоподжимным уплотняющим устройством, установленным в металлическом кожухе, соединенном с корпусом. Это устройство представляет собой неподвижную текстолитовую, прижимаемую к торцу чугунной ступицы крыльчатки пружиной с резиновой манжетой. В целях повышения надежности работы с 1966 г. конструкция водяного насоса несколько изменена. Применена вращающаяся уплотняющая шайба, установленная в прорезях ступицы крыльчатки и выполненная из графито-свинцовой композиции. Значительно усилен передний подшипник вала насоса.

От насоса вода поступает по каналу в кронштейне корпуса в водораспределительную трубу из нержавеющей стали, установленную в водяной рубашке вдоль головки цилиндров, охлаждая в первую очередь патрубки выпускных клапанов. Далее вода через рубашку головки и через отводной патрубок и термостат проходит в верхний патрубок радиатора. Циркуляция воды через водяную рубашку блока естественная и осуществляется конвекцией, за счет разности температур ее в водяных рубашках головки и блока.

Водяной насос и вентилятор приводятся в действие трапециевидным ремнем от шкива коленчатого вала. Натяжение ремня производится перемещением генератора.

Сливные краны расположены: один (кран) на нижнем бачке радиатора, а другой на правой стороне блока.

К системе охлаждения подключены шланги отопителя кузова; кран включения отопителя ввернут сверху в головку блока и соединен с подводящим шлангом. Отводящий шланг присоединен к водяному насосу. Для контроля работы системы охлаждения служат указатель температуры воды и сигнальная лампа перегрева системы. Датчик указателя температуры расположен в кронштейне корпуса водяного насоса, а датчик сигнальной лампы — в верхнем бачке радиатора.

На автомобилях УАЗ, оборудованных двигателем типа ГАЗ-21, система охлаждения имеет в основном аналогичное устройство. У двигателя автомобиля ГАЗ-69 применен шестилопастный вентилятор. К системе охлаждения подключен пусковой подогреватель. На автомобилях УАЗ, которые ранее были оборудованы двигателем типа ГАЗ-20, система охлаждения аналогична по устройству системе охлаждения двигателя автомобиля «Победа» или автомобиля ГАЗ-51А.

Система охлаждения двигателя автомобиля ГАЗ-51А принудительная, закрытая. Радиатор трубчато-пластинчатого типа, прикреплен к раме на резиновых подушках. В горловину радиатора впаяна пароотводная трубка, проходящая вниз с левой стороны. В крышке горловины установлен унифицированный паровоздушный клапан. Перед сердцевиной радиатора на специальных кронштейнах расположены жалюзи, имеющие ручное управление из кабины. Впереди жалюзи установлена облицовочная решетка. Верхний патрубок радиатора соединен гибким шлангом с патрубком корпуса термостата, закрепленного на верхней части головки цилиндров и соединяющегося с водяной рубашкой головки. Нижний патрубок радиатора через промежуточную трубу и два гибких шланга соединен с приемным патрубком насоса.

Водяной насос расположен в верхней части блока и смонтирован на одном валике вместе с вентилятором. Чугунный корпус насоса прикреплен болтами на прокладке к обработанной площадке блока в его верхней передней части. Полость корпуса через отверстие в стенке блока сообщается с водораспределительной трубой из нержавеющей стали, установленной в водяной рубашке вдоль блока. Из этой трубы вода в первую очередь поступает к патрубкам выпускных клапанов.

Конструкция насоса аналогична описанной выше. На переднем конце валика насоса с помощью ступицы закреплены приводной шкив и четырехлопастный вентилятор. Лопасти вентилятора съемные. Передняя двойная лопасть может быть снята на период зимней эксплуатации.

Насос и вентилятор приводятся в действие ремнем от шкива коленчатого вала. Натяжение ремня регулируют перемещением генератора. На головке блока в чугунном корпусе установлен унифицированный термостат с двойным клапаном. В корпусе термостата, а также в головке и блоке имеется перепускной канал к насосу. Один сливной кран расположен на ниясыем патрубке радиатора, другой — в нижней части котла пускового подогревателя или в нижней части водяной рубашки блока с левой стороны.

К водяной рубашке головки присоединен датчик электрического указателя температуры воды в системе охлаждения.