A crioterapia age tornando mais rápido o ritmo das reações químicas que ocorrem como parte do metabolismo tecidual. Além disso, o frio age inibindo a liberação de histamina evitando assim a formação de grande quantidade de edema no local de uma lesão.

Quando o frio é aplicado diretamente na pele, seus vasos se contraem progressivamente a uma temperatura de 15ºC até alcançarem sua constrição máxima. Abaixo de 15ºC, os vasos começam a dilatar por um efeito local direto do frio sobre os próprios vasos. Em temperaturas próximas a 0ºC, os vasos da pele muitas vezes alcançam vasodilatação máxima.

Por causa de uma redução na velocidade de condução nervosa, a crioterapia aumenta a quantidade de atividade nervosa sensorial e, consequentemente, a atividade nervosa motora que desencadeia e mantém o espasmo.

Os corpúsculos de Pacini, as terminações de Ruffini e o órgão tendinoso de Golgi, todos disparam mais rapidamente quando resfriados.

Ao contrário do TENS, a crioterapia não alivia a dor por meio do mecanismo de controle das comportas mas por interferir na transmissão dos impulsos dolorosos ao nível dos neurônios de segunda ordem situados no gânglio da raiz dorsal da medula espinhal.