经过挑选、漂洗、成型、放盘等前道工序，就可进入冷冻干燥阶段。冻干机的第一步必须是冷冻干燥的材料，并将放置在冷冻干燥机中的材料盘冷冻（有些冷冻干燥机没有冷冻功能，应配备另一个冷冻机）。速冻工艺有以下几种：
浸液：将物料浸在液氮、液体氟里昂、低温盐水等介质中快速冷冻。此法冻结速度最快。
空气冷却：将物料吹入低温冷风，使物料在规定时间内冻结至一定温度。
直冷法：将制冷剂或冷媒置于蒸发排管中，吸收物料的热量达到制冷目的。
真空冷法：利用抽真空使物料中的水分蒸发带走热量，冷却物料以达到制冷的目的。
不管采取何种方式，都应该保证物料在基本不变形的前提下在规定时间内冻结到一定的温度。
为保证物料中的冰不溶化而直接汽化（升华），并不断移走汽体，保证升华正常进行，必须使箱内真空度低于某一温度下冰的饱和蒸汽压（610pa以下）。
冷陷阱的使用是捕捉水蒸气，减少真空泵的负荷。合理的冷陷阱设计不会导致真空泵故障，能耗低，但制冷系统和冷陷阱的设计要求严格。
随着冰不断升华汽体的移走，也带走物料的热量，使物料温度（冰温）持续走低，从而引汽冰的饱和蒸汽压降低，升华速度放慢。为保持一定的升华速率，就必须不断给物料补充热量。热量补充太少会降低升华速率，热量补充太快会引起冰的溶化，导致物料塌陷冻干失败。
由于冻干机冻干过程较复杂，且工作状态范围较窄，稍有不慎便会造成冻干品质量下降，因此要求采用自控系统。冻干机自控系统设计要求操作简便，从物料放入按钮开机，速冻真空升华干燥一气呵成，提示冻干完成后关机出料。有关的温度、压力控制点要精心选择、合理控制，速冻、真空保持、加热的关联应控制恰当，针对不同的物料设置工艺曲线。
