柴油发电机通常有三种冷却方式:空气、氢气和水。在一般同步柴油发电机中，冷却系统是封闭的，冷却介质是再循环的。
风冷:用冷风吹扫柴油发电机组绕组端部，柴油发电机组定子和转子散热。冷空气吸热，变成热空气。转子之间的空气汇聚后，通过铁芯的风道排出，由冷却器冷却。然后，冷却后的空气被送到发电机，由风扇回收，达到散热的目的。柴油发电机空冷器通常为中小型同步发电机组。
氢冷却:氢冷却使用氢作为冷却介质。氢气的散热性能比空气好。大多数大型涡轮发电机组使用氢气进行冷却。
水冷:水冷是定子和转子的双水冷方式。
定子水系统的冷水从外部水系统通过水管流向安装在定子上的进水环，然后通过保温管流向盘管吸热，然后通过保温管收集水，将出水环安装在机架上。然后排放到发电机外的水系统进行冷却。
转子水系统的冷却先进入安装在励磁机侧轴端的进水支架，然后流入转轴的中心孔，沿着几个子午孔流到集水箱，然后流到线圈，穿过绝缘管。冷水吸热后，通过保温管流入出水箱，然后通过出水箱外缘的排水孔流到出水支架，由出水总管引出。
由于水的散热性能远高于空气和氢气，新建的大、中、大型柴油发电机厂家的柴油发电机组通常采用水冷。