运作模式上，第三方医药冷链物流企业在冷藏药品供应链中同时扮演了‚医药企业物流和物流企业的角色，既可以是医药生产者的成品库，又可成为批发交易的终端(医疗单位或零售商)寄存库。
当委托方(制药厂、医院、零售商店)向其上级的供货商下达采购订单时，供货商从其仓库发货至第三方医药冷链物流中心，第三方医药冷链物流中心按照GSP监管标准进行验收入库，并进行冷藏药品的存储和专业化管理，当委托方将到货预报发送给第三方医药冷链物流中心时，第三方医药冷链物流中心根据其要求进行全程冷链配送活动。
同时，供应商可将其冷藏药品的全部或部分存储在第三方医药冷链物流中心，当下级订货商向供货商下达订单时，第三方医药冷链物流中心可代理进行订单处理、配送等活动。
在整个的运作模式中，第三方物流可采用RFID射频技术、GPS技术等进行全程温湿度监管和数据记录，并与CFDA(食品药品监督管理总局)等监管部门以及医药生产及流通企业进行实时双向数据的交换和共享，保障从生产企业到消费者的全程可追溯和防伪。
而当冷藏药品出现质量问题时，也便于进行责任追溯，可以从一定程度上保障冷藏药品的质量安全。
第三方医药冷链物流的优势在于:
1)可为医药企业节约大量前期投入。
一方面，保温箱、蓄冷剂等都不需要自行购买，物流公司可以提供。同时，企业无需考虑运作和管理方面的问题，外包给第三方冷链物流公司可以解决运输中温度链断掉的难题。
即使有品种多样性、少量性和发货地的零散性等特点，冷链物流公司也可以充分整合资源，采取多式联运以发挥第三方冷链物流的优势。
2)减少药品损失和退货过程中的逆向物流成本。
在退货运输方面，第三方冷链物流通过全程冷链温度自动记录、跟踪和上传，可以实现GPS的精确定位，随时掌握运输车辆信息，同时拥有专业物流信息管理平台、EDI(电子数据)交换中心，与监管部门及委托方同步交换数据，对发生质量缺陷的产品可以通过标签追溯自动查询，在时间发现并召回或销毁过期药品及不及格药品，大大降低药品的不合格率，保证药品质量，也使医药企业减少药品的损失成本和退货过程中的逆向物流成本。
3)实现医药物流供应链的优化。
由于目前中国几乎没有一家医药冷链物流企业的物流网络可以实现全国覆盖，因此，医药流通企业不得不在不同的地区，与不同的医药冷链物流企业签订委托运输合同。
对于一些需求量不大的药品，分包之后单一地区的需求量有限。对上海药品流通行业的样本分析显示，医药物流回程车辆的满载率不足30%。
通过第三方医药物流参与的方式，供货商将产品集中在第三方冷链物流中心，再集中装车配送到各需求方，第三方冷链物流通过先进的信息一体化管理，根据医药企业的物流订单，按量、按段拆分合并形成作业单，为其提供合理的运输工具、便利的联合运输等，从而优化医药供应链的流通效率。