利用3He–4He混合液體低溫下發生相分離的性質獲得mK低溫的方法。3He–4He混合液體在0.87K以下發生相分離，分成富3He成分的濃相和貧3He成分的稀相。3He原子品質比4>He原子輕，所以濃相浮在稀相上。稀釋致冷利用的是混合液體的一個重要性質：即使到絕對零度，稀相中3He原子的濃度仍保持在6.4%的固定數值。相界面所在的區域稱為混合室，當減少混合室稀相中3He原子的濃度時，為維持固定的濃度，濃相中的3He原子就要通過相界面擴散到稀相中加以補充，這一過程類似於液體的蒸發，是熵增加的過程，產生致冷的效果。通過管道將混合室中的稀相經熱交換器通到溫度在0.6～0.7K的蒸餾室，在這一溫度下液體3He蒸汽壓遠高於液體4He，抽走的氣體中基本上是3He成分，由此稀相中3He的濃度減小。這種致冷方法是在1956年發現3He–4He混合液體相分離現象後，1962年由H.倫敦提出的，1965年第一臺樣機問世。稀釋致冷機可長時間地維持mK范圍的溫度，具有較大的冷卻能力，又不受磁場影響，且使用方便，是獲得mK溫度最重要的方法。依賴於結構和需要，一般可工作在二至數十mK的溫度范圍。