凍干機的工作原理是預凍成固體形狀，低溫下升華干燥，首先升華能發生是因為凍干箱內的飽和蒸氣壓低于水的（或者溶劑）的三相點，位于三相點以下的壓力，低于共熔點溫度下升華，升高溫度，物質只能從固體變成氣體，發生升華，而不發生融化。
升華是一個吸熱的過程，如果在升華過程中沒有外界給予熱量的話，升華只能吸收自身的熱量，自身產品溫度降低，降低到一定程度，產品溫度與冷阱溫度一致，升華停止，因為沒有溫度差，熱量不能傳遞。因此在升華過程中要給板層加熱，提供傳導熱給予升華界面的升華熱量。這個熱量不能超過升華熱。
在凍干機中有兩個大的密閉容器，一個是凍干箱，一個是冷阱，它們由主閥連接，當主閥打開時便成為一個整體的封閉系統。在干燥階段，凍干箱的板層上放有預凍好的凍結產品，制品的升華溫度決定了凍干箱的飽和蒸汽壓。在冷阱中，冷阱的制冷表面溫度決定了冷阱內的飽和蒸汽壓。
假設在干燥過程中，凍干箱的升華溫度在-30℃，冷阱的制冷表面溫度也在-30℃，這時兩個容器內的飽和蒸汽壓相等，如果打開主閥，則從凍干箱跑到冷阱的水汽與從冷阱跑到凍干箱的水汽相等，即處于平衡狀態。如果冷阱的溫度降低到-50℃，如果打開主閥，則由于凍干箱的壓力大于冷阱的壓力，凍干箱的水汽將流向冷阱，并在冷阱的制冷表面凝華成冰霜，只要冷阱的制冷表面溫度能維持在-60℃，就能維持冷阱的飽和蒸汽壓低于凍干箱，這是一個傳質的過程，也就是蒸發出來的水蒸氣傳遞的過程，這個是升華的動力。因此冷阱的溫度必須低于產品升華溫度，從而產生水蒸汽的壓力差，獲得升華的動力。
板層加熱，冷阱制冷這是升華過程中的動力，除此之外還有真空，通過真空調節間接控制升華溫度和傳質壓差，也是升華的動力。
