冷凍保存是基于某些小分子進入細胞并防止脫水和形成細胞內冰晶的能力，在冷凍過程中會導致細胞死亡和細胞器破壞。兩種常見的冷凍保護劑是二甲基亞砜(DMSO) 和甘油。甘油主要用于紅細胞的冷凍保護，DMSO 用于保護大多數其他細胞和組織。一種叫糖海藻糖存在于能夠在極度脫水下存活的生物體中，用于冷凍干燥的冷凍保存方法。海藻糖穩定細胞膜，特別適用于保存、干細胞和血細胞。

大多數細胞冷凍保存系統使用控速冷凍機。該冷凍系統將液氮輸送到放置細胞懸液的封閉室中。仔細監測冷凍速度有助于防止細胞快速脫水和冰晶形成。通常，將細胞從室溫帶到約 -90 °C (-130 °F) 的可控速率冰箱中。然后將冷凍的細胞懸浮液轉移到液氮冷凍機中，該冷凍機保持在極冷的溫度下，氮氣處于氣相或液相。基于冷凍干燥的冷凍保存不需要使用液氮冷凍機。

    冷凍保存的一個重要應用是冷凍和儲存造血干細胞，存在于骨髓和外周血中。在自體骨髓搶救，造血干細胞是在高劑量化療治療之前從患者的骨髓中收集的。治療后，患者的冷凍保存細胞被解凍并回輸回體內。這個過程是必要的，因為大劑量化療對骨髓有極大的毒性。冷凍保存造血干細胞的能力大大提高了某些淋巴瘤和實體瘤惡性腫瘤的治療效果。在白血病患者的情況下，他們的血細胞是癌性的，不能用于自體骨髓搶救。因此，這些患者依賴于從新生兒的臍帶或從捐贈者獲得的冷凍保存的造血干細胞上。自 1990 年代后期以來，人們已經認識到造血干細胞和間充質干細胞（來源于胚胎結締組織）能夠分化為骨骼和心肌組織、神經組織和骨骼。今天，人們對這些細胞在組織培養系統中的生長以及將這些細胞冷凍保存以用于未來治療各種疾病（包括神經和肌肉系統疾病以及肝臟和心臟疾病）的興趣濃厚.

     高劑量的化學療法或放射線不僅會破壞癌細胞，還會破壞富含造血干細胞的骨髓。為了替換受損的骨髓，在治療前從癌癥患者的血液或骨髓中采集干細胞；細胞也可以取自遺傳相容的供體。為了從樣品中去除不需要的細胞，例如腫瘤細胞，將其與僅與干細胞結合的抗體一起孵育。包含選定細胞的液體體積減少并冷凍直至需要。然后將液體解凍、稀釋并重新注入患者體內。一旦進入血液，干細胞就會進入骨髓，在那里它們植入自己并開始產生健康細胞。

    冷凍保存也用于冷凍和儲存人類胚胎。在冷凍胚胎移植的過程中，胚胎被解凍并移植。冷凍胚胎移植與從此類胚胎出生的兒童中兒童患癌癥風險的小幅但顯著增加有關。

深低溫，一種用于人類患者的溫和冷凍保存形式，具有重要的應用。深度低溫誘導的常見用途是復雜的心血管外科手術。在使用心肺機對患者進行*體外循環后，血液會通過冷卻室。患者的受控冷卻可能會達到約 10–14 °C (50–57 °F) 的極低溫度。這種冷卻量有效地阻止了所有大腦活動并為所有重要器官提供保護。當達到這種冷卻時，心肺機可以停止，外科醫生可以在循環停止期間糾正非常復雜的主動脈和心臟缺陷。在此期間，患者體內沒有血液循環。手術完成后，血液在用于冷卻的同一熱交換器中逐漸升溫。逐漸升溫至正常體溫會導致大腦和器官功能恢復正常。然而，這種深度低溫與冷凍和長期低溫保存相去甚遠。

如果適當冷凍，細胞可以存活十多年。此外，某些組織，如甲狀旁腺、靜脈、心臟瓣膜和主動脈組織，可以成功冷凍保存。冷凍還用于儲存和維持早期人類胚胎的長期活力。用于這些組織的冷凍程序已經確立，并且在存在冷凍保護劑的情況下，組織可以在 -14 °C (6.8 °F) 的溫度下長期儲存。

研究表明，在沒有冷凍保護劑的情況下冷凍的整個動物在解凍后可以產生含有完整 DNA 的活細胞。例如，在 -20 °C (-4 °F) 下儲存超過 15 年的整個小鼠的腦細胞核已被用于生成胚胎干細胞。這些細胞隨后用于產生小鼠克隆。