Система охлаждения предназначена для принудительного отвода от деталей лишней теплоты и передачи её окружающему воздуху.В результате этого создается определённый температурный режим, при котором двигатель не перегревается и не переохлаждается, т.е. рабочий цикл протекает нормально. Наивыгоднейший тепловой режим работы двигателя создается при температуре охлаждающей жидкости 80 –95 градусов Цельсия и обеспечивается системой охлаждения двигателя. На двигатели ГАЗ-53 приняты жидкостная система охлаждения закрытого типа, т. е. она не связана непосредственно с атмосферой, в результате чего давление в системе увеличивается и повышается температура кипения охлаждающей жидкости (до 108 – 119°), а также снижается расход жидкости на испарение.

Система охлаждения ГАЗ-53 состоит из водяной рубашки двигателя, водяного насоса, радиатора, термостата, вентилятора с кожухом, жалюзи, пробки радиатора (с клапанами) и соединительных шлангов. Емкость системы - 21,5 л. Температурный режим двигателя 80-90 С