本发明公开的一种集装箱数据中心冷却系统及其运行方法，属于节能技术领域。包括箱体内水冷循环模块、新风自然冷却模块、热水罐、天空辐射制冷模块、水侧自然冷却模块、冷水罐、蒸汽压缩制冷模块、蓄水箱、第一电磁三通阀、第二电磁三通阀、第一三通接头和第二三通接头。本发明将天空辐射制冷技术结合至集装箱数据中心冷却系统中，考虑了多种冷源耦合情况，对集装箱数据中心冷却系统广域全天候应用进行了科学的集成优化设计，并通过加装温度传感器、流量计、阀门和旁通管道，实时监测运行状况并根据系统内外参数灵活切换冷却模式，充分利用自然冷源，降低制冷能耗，提升能源经济效益。同时，保证集装箱数据中心的灵活移动和快速建设安装能力。