冷冻保存是基于某些小分子进入细胞并防止脱水和形成细胞内冰晶的能力，在冷冻过程中会导致细胞死亡和细胞器破坏。两种常见的冷冻保护剂是二甲基亚砜(DMSO) 和甘油。甘油主要用于红细胞的冷冻保护，DMSO 用于保护大多数其他细胞和组织。一种叫糖海藻糖存在于能够在极度脱水下存活的生物体中，用于冷冻干燥的冷冻保存方法。海藻糖稳定细胞膜，特别适用于保存、干细胞和血细胞。
大多数细胞冷冻保存系统使用控速冷冻机。该冷冻系统将液氮输送到放置细胞悬液的封闭室中。仔细监测冷冻速度有助于防止细胞快速脱水和冰晶形成。通常，将细胞从室温带到约 -90 °C (-130 °F) 的可控速率冰箱中。然后将冷冻的细胞悬浮液转移到液氮冷冻机中，该冷冻机保持在极冷的温度下，氮气处于气相或液相。基于冷冻干燥的冷冻保存不需要使用液氮冷冻机。
冷冻保存的一个重要应用是冷冻和储存造血干细胞，存在于骨髓和外周血中。在自体骨髓抢救，造血干细胞是在高剂量化疗治疗之前从患者的骨髓中收集的。治疗后，患者的冷冻保存细胞被解冻并回输回体内。这个过程是必要的，因为大剂量化疗对骨髓有极大的毒性。冷冻保存造血干细胞的能力大大提高了某些淋巴瘤和实体瘤恶性肿瘤的治疗效果。在白血病患者的情况下，他们的血细胞是癌性的，不能用于自体骨髓抢救。因此，这些患者依赖于从新生儿的脐带或从捐赠者获得的冷冻保存的造血干细胞上。自 1990 年代后期以来，人们已经认识到造血干细胞和间充质干细胞（来源于胚胎结缔组织）能够分化为骨骼和心肌组织、神经组织和骨骼。今天，人们对这些细胞在组织培养系统中的生长以及将这些细胞冷冻保存以用于未来治疗各种疾病（包括神经和肌肉系统疾病以及肝脏和心脏疾病）的兴趣浓厚.
高剂量的化学疗法或放射线不仅会破坏癌细胞，还会破坏富含造血干细胞的骨髓。为了替换受损的骨髓，在治疗前从癌症患者的血液或骨髓中采集干细胞；细胞也可以取自遗传相容的供体。为了从样品中去除不需要的细胞，例如肿瘤细胞，将其与仅与干细胞结合的抗体一起孵育。包含选定细胞的液体体积减少并冷冻直至需要。然后将液体解冻、稀释并重新注入患者体内。一旦进入血液，干细胞就会进入骨髓，在那里它们植入自己并开始产生健康细胞。
冷冻保存也用于冷冻和储存人类胚胎。在冷冻胚胎移植的过程中，胚胎被解冻并移植。冷冻胚胎移植与从此类胚胎出生的儿童中儿童患癌症风险的小幅但显着增加有关。
深低温，一种用于人类患者的温和冷冻保存形式，具有重要的应用。深度低温诱导的常见用途是复杂的心血管外科手术。在使用心肺机对患者进行*体外循环后，血液会通过冷却室。患者的受控冷却可能会达到约 10–14 °C (50–57 °F) 的极低温度。这种冷却量有效地阻止了所有大脑活动并为所有重要器官提供保护。当达到这种冷却时，心肺机可以停止，外科医生可以在循环停止期间纠正非常复杂的主动脉和心脏缺陷。在此期间，患者体内没有血液循环。手术完成后，血液在用于冷却的同一热交换器中逐渐升温。逐渐升温至正常体温会导致大脑和器官功能恢复正常。然而，这种深度低温与冷冻和长期低温保存相去甚远。
如果适当冷冻，细胞可以存活十多年。此外，某些组织，如甲状旁腺、静脉、心脏瓣膜和主动脉组织，可以成功冷冻保存。冷冻还用于储存和维持早期人类胚胎的长期活力。用于这些组织的冷冻程序已经确立，并且在存在冷冻保护剂的情况下，组织可以在 -14 °C (6.8 °F) 的温度下长期储存。
研究表明，在没有冷冻保护剂的情况下冷冻的整个动物在解冻后可以产生含有完整 DNA 的活细胞。例如，在 -20 °C (-4 °F) 下储存超过 15 年的整个小鼠的脑细胞核已被用于生成胚胎干细胞。这些细胞随后用于产生小鼠克隆。
