CO2培养箱主要由箱体结构件、温度控制系统和CO2浓度控制系统三部分组成。
1、培养箱体结构件由外壳、保温材料和不锈钢水套组成。工作室的设计是关键。采用水套方式，即除正面玻璃门外，其余五面均为充满水的不锈钢夹层，通过热水的循环，使工作室处于等温水的夹层包围中，因此受热均匀、恒定，升温快，降温慢，即使停电5～6小时，也保证细胞存活。采用双层门设计，二氧化碳培养箱内面的玻璃门便于观察细胞生长，又对环境干扰较小；外门内侧设有自动控温的衬板，使玻璃门不结露、不受环境温度变化的影响。工作室内的风扇使气体循环，使工作室的温度和CO2 浓度均匀。水套顶层采用台阶状设计，既保证了培养箱顶部的水层均匀，又避免了风扇电机的高温和环境变化对工作室温度均匀性的影响。制造工艺也能保证体形变减少。
2、温度控制系统采用三路检测、三级控制的电路，而且还有防止温度过部电路。(而有些进口培养箱是单路检测、二级控制电路)温度传感器是先进的电压型集成电路温度传感器，而不是常用的热敏电阴、半导体、热电偶等传感器。
3、CO2浓度控制采用超声波传感器，具有性能稳定、检测速度快、能适应潮湿的箱内环境、寿命长不易损坏、线性好等优点(此技术已获得国家专利)。而国内外同类产品多数采用热导式和红外线式。热导式传感器结构热导式传感器结构简单、成本低廉，但过于灵敏，受环境影响大，容易产生零点漂移。红外线式传感器不能在潮湿的培养箱内工作，便采用外置传感器方式，将培养箱内的气体用气泵抽出并冷凝去湿后再检测，然后将气返送回箱内。这种方式管路复杂，机械耗损大，检测结果滞后，故障率也高。