La liofilización se basa en el fenómeno físico de la sublimación del agua o bien de un disolvente orgánico o de mezclas acuoso-orgánicas que estén congeladas; el disolvente congelado sublima directamente a vapor sin pasar por el estado líquido. Habitualmente, cuando se trabaja con alimentos, proteínas o material biológico, el disolvente a eliminar es agua.

El proceso de liofilización puede describirse en cuatro fases:

CONGELACIÓN: Se debe congelar rápidamente el producto a una temperatura por debajo de su eutéctico. (Punto eutéctico: la temperatura más baja a la que puede fundir una mezcla de sólidos con una composición dada).

TRATAMIENTO A VACIO: Es preciso eliminar el aire y otros vapores no condensables de la cámara a fin de facilitar la migración del vapor.

CALENTAMIENTO: Habitualmente se trabaja a temperatura ambiente, pero si es necesario, se puede calentar  la muestra congelada con mucho cuidado para acelerar el proceso de secado. Esta fase no es conveniente si los productos pueden variar sus propiedades por encima de la temperatura ambiente.

CONDENSACIÓN (o SUBLIMACIÓ INVERSA): Fijación de las moléculas de agua en forma de hielo sobre la superficie del condensadordel liofilizador (Punto 4.2).

El objetivo de la liofilización es obtener un producto seco, que cuando se le vuelve a añadir agua o disolvente, presente las mismas características que el producto original (forma, color, aroma, sabor y textura). La liofilización reduce las pérdidas de calidad debidas al deterioro de la muestra por reacciones químicas i/o per degradación enzimática.