肌體組織受到0℃以下低溫利用時，組織中的水分凍結形成冰晶。作用的溫度不很低時，組織降溫緩慢，冰晶主要在細胞外形成;作用的溫度很低時，組織急驟降溫，則冰晶主要形成于細胞內。細胞內的冰晶致死性損傷作用更大，故致冷劑的溫度越低，對細胞的損傷作用也越大。冰晶可引起細胞的機械性損傷;組織中的水分結冰，細胞脫水，電解質濃縮使細胞中毒死亡。冰凍融解期對細胞的死亡有更為重要的作用。冰凍融解時，細胞間的冰晶先融解，從而吸收周圍的大量熱能，導致細胞內繼續結冰，形成更大的冰晶。緩慢融凍可加強和延長此種作用，大的冰晶可致使細胞更嚴重的機械損傷，同時也使細胞更久地處于濃縮的電解質環境中，加速細胞的死亡。
因此，緩慢融凍對組織的破壞性更大。融凍快慢有關因素有致冷劑的溫度，冷凍治療的時間長短，組織的含水量、導熱性，組織的血流供應是否豐富。如果血供豐富，則融凍加快。低溫引起血循環障礙，是冷凍引起組織壞死的另一因素。低溫引起血管收縮，血流減慢，進而血栓形成，阻斷血流;低溫可直接損傷血管，引起血管內皮細胞水腫、壞死，甚至細胞溶解，使組織發生缺血、死亡。此外，低溫使構成細胞的主要成分脂質蛋白復合物發生變性，致使細胞破裂;低溫引起局部溫度驟然下降，使細胞發生溫度性休克，也是冷凍引起細胞死亡的原因。組織被冷凍結成冰球，然后再讓其自然融凍，為一次凍融周期。實驗及臨床證明，多次凍融較一次凍融具有更大的破壞作用，加深冷凍的深度，減少活細胞的殘存率。致冷劑接觸組織之處的溫度最低，由此向邊緣溫度逐漸升高。一般認為，細胞致死的低溫的最高溫度線在-20℃。各種細胞對低溫的敏感性不同，例如:色素細胞較為敏感，而皮膚組織、骨組織、神經組織的耐受性則較高。
