低温冷冻组织细胞，可导致细胞损伤和血管损伤，组织细胞及其内容物产生物理、化学、电解质上的变化，后导致细胞坏死或凋亡。冷冻治疗包括冷冻与复温两个过程。冷冻初期（温度-4~-21℃）时细胞外冰晶形成即“溶液效应”（solutioneffect）是引起细胞死亡的主要机制。细胞外冰晶形成，使细胞外渗透压上升，引起细胞内脱水，导致细胞皱缩，进而引起细胞膜和细胞器的损伤。温度进一步降低可引起细胞内形成冰晶，导致细胞器发生不可逆损伤，继而细胞膜受损，终导致细胞死亡。复温时细胞内小冰晶再结晶或者相互融合，形成大的冰晶，大冰晶对细胞有更强的破坏作用。另外复温时细胞冰晶融化，使得细胞外间隙成为低渗环境，水份进入细胞内，引起细胞肿胀，导致细胞膜破坏，从而使得一些冷冻期未损伤的细胞在复温过程中被破坏。

血管损伤主要发生在冷冻的复温期，为延迟性损伤。表现为微血管破坏，微血栓形成，血流淤滞和闭塞，组织细胞缺氧从而导致细胞坏死。

有研究指出虽然微、小动静脉在复温后4小时内仍难恢复，但大的血管，尤其大的动脉一般不受破坏，即使受损，在其后24小时内一般仍能恢复，这在临床上有实际意义，使得临近大血管的肿瘤能的接受冷冻治疗。