冷冻保存是根据某些小分子进入细胞并避免脱水和构成细胞内冰晶的才能，在冷冻进程中会导致细胞逝世和细胞器损坏。两种常见的冷冻维护剂是二甲基亚砜(DMSO) 和甘油。甘油首要用于红细胞的冷冻维护，DMSO 用于维护大多数其他细胞和安排。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办法。海藻糖安稳细胞膜，特别适用于保存、干细胞和血细胞。

大多数细胞冷冻保存体系运用控速冷冻机。该冷冻体系将液氮输送到放置细胞悬液的关闭室中。细心监测冷冻速度有助于避免细胞快速脱水和冰晶构成。一般，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。根据冷冻干燥的冷冻保存不需求运用液氮冷冻机。

冷冻保存的一个重要运用是冷冻和贮存造血干细胞，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医治之前从患者的骨髓中搜集的。医治后，患者的冷冻保存细胞被冻结并回输回体内。这个进程是必要的，由于大剂量化疗对骨髓有极大的毒性。冷冻保存造血干细胞的才能大大提高了某些淋巴瘤和实体瘤恶性肿瘤的医治作用。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。因而，这些患者依赖于从新生儿的脐带或从捐赠者取得的冷冻保存的造血干细胞上。自 1990 时代后期以来，人们现已认识到造血干细胞和间充质干细胞（来源于胚胎结缔安排）能够分化为骨骼和心肌安排、神经安排和骨骼。今日，人们对这些细胞在安排培养体系中的成长以及将这些细胞冷冻保存以用于未来医治各种疾病（包括神经和肌肉体系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只会损坏癌细胞，还会损坏富含造血干细胞的骨髓。为了替换受损的骨髓，在医治前从癌症患者的血液或骨髓中收集干细胞；细胞也能够取自遗传相容的供体。为了从样品中去除不需求的细胞，例如肿瘤细胞，将其与仅与干细胞结合的抗体一同孵育。包括选定细胞的液体体积削减并冷冻直至需求。然后将液体冻结、稀释并从头注入患者体内。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端发生健康细胞。

冷冻保存也用于冷冻和贮存人类胚胎。在冷冻胚胎移植的进程中，胚胎被冻结并移植。冷冻胚胎移植与从此类胚胎出世的儿童中儿童患癌症危险的小幅但明显添加有关。

深低温，一种用于人类患者的温文冷冻保存方式，具有重要的运用。深度低温诱导的常见用处是杂乱的心血管外科手术。在运用心肺机对患者进行彻底体外循环后，血液会通过冷却室。患者的受控冷却可能会到达约 10–14 °C (50–57 °F) 的极低温度。这种冷却量有效地阻挠了一切大脑活动并为一切重要器官供给维护。当到达这种冷却时，心肺机能够中止，外科医生能够在循环中止期间纠正非常杂乱的主动脉和心脏缺点。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步升温。逐步升温至正常体温会导致大脑和器官功用康复正常。但是，这种深度低温与冷冻和长时间低温保存相去甚远。

假如恰当冷冻，细胞能够存活十多年。此外，某些安排，如甲状旁腺、静脉、心脏瓣膜和主动脉安排，能够成功冷冻保存。冷冻还用于贮存和保持前期人类胚胎的长时间生机。用于这些安排的冷冻程序现已建立，并且在存在冷冻维护剂的情况下，安排能够在 -14 °C (6.8 °F) 的温度下长时间贮存。

研讨标明，在没有冷冻维护剂的情况下冷冻的整个动物在冻结后能够发生含有完好 DNA 的活细胞。例如，在 -20 °C (-4 °F) 下贮存超越 15 年的整个小鼠的脑细胞核已被用于生成胚胎干细胞。这些细胞随后用于发生小鼠克隆。