冷凍速率是指降溫的速度，直接關系到冷凍效果。細胞在冷凍過程中會發生如下變化：當細胞被冷至-5℃時，因溶液中加有冷凍保護劑而降低溶液的冰點，細胞內外溶液仍未結冰；當被冷至-5～-15℃之間時，細胞外溶液先出現結冰而細胞內仍保持未結冰狀態。細胞內未結冰的水分子會比細胞外部分結冰溶液中的水分子具有更高的化學能。其結果是，細胞內水分子為了和細胞外水分子保持化學能的平衡，會向細胞外流動。冷凍速度不同，細胞內水分向外流動的情況也不相同：如果冷凍速度慢，細胞內水分外滲多，細胞脫水，體積縮小，細胞內溶質濃度增高，細胞內不會發生結冰；如果冷凍速度快，細胞內水分沒有足夠的時間外滲，結果隨著溫度的下降而發生細胞內結冰；如果冷凍速度非常快（即超快速冷凍），則細胞內形成的冰晶非常小或不結冰而呈玻璃狀態（玻璃化冷凍）。Luyet（1973）證實液體的凝固可分為兩種形式：一種是晶體化，溶液中的分子呈有序排列；另一種情況是非晶體即玻璃化，液體中的分子呈無序狀態，保持未凝固前的狀態。

不同的冷凍速度既然能使細胞內發生不同的生理變化，也可以對細胞產生不同的損傷。當冷凍速度過慢時，細胞脫水嚴重，細胞體積嚴重收縮，超過一定程度時即失去活性。同時冷凍速度過慢，還會引起細胞外溶液部分結冰，從而使細胞外未結冰的溶液中溶質濃度增高，產生溶質損傷。當冷凍速度過快時，細胞內水分來不及外滲，會形成較到冰晶，造成細胞膜及細胞器的破壞，產生細胞內冰晶損傷。超快速玻璃化冷凍對細胞存活來說是zui為理想的冷凍方法。細胞內外呈玻璃化凝固，無冰晶形成或形成很小的冰晶，對細胞膜和細胞器不致造成損傷，細胞也不會在高濃度的溶質中長時間暴露而受損。 
不同細胞的zui適冷凍速率不同。小鼠骨髓干細胞、酵母、人紅細胞的zui適冷凍速率分別為1.6℃/min、7℃/min和200℃/min。細胞與細胞之間的zui適冷凍速率可在1.6℃～300℃/min，故對一種細胞進行冷凍保存之前，首先需要測定其zui適冷凍速率，以保證獲得zui高的冷凍存活率。