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。用冻干机冷冻干燥时，需将冷冻干燥的物料快速冷冻，放入已装入材料的盘内进行快速冷冻(有些冻干机不具有快速冷冻功能，需另外配置冷冻机)。冷冻法有下列几种：
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zui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。
直接冷却：将制冷剂或冷介质放入蒸发排管，吸收物料热量以达到制冷目的。
真空制冷法：利用抽真空使物料中水份蒸发带走热量，冷却物料达到制冷目的。
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）。
采用冷阱是为了捕捉水汽，降低真空泵的负荷，设计合理的冷阱基本不会导致真空泵失效，能耗也低，不过对制冷系统、冷阱的设计要求较严。
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。
