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.

A diminuição da sensibilidade do fuso muscular ao alongamento, assim como os reflexos desencadeados pelos receptores de temperatura, pode ser a base fisiológica para o relaxamento do espasmo muscular após o uso de calor.

A estimulação dos receptores sensoriais de calor pela DOC pode ativar o mecanismo da comporta da dor.

Com a utilização da DOC, a viscosidade dos tecidos é reduzida, o que explica em parte a redução da rigidez articular que ocorre com o aquecimento;

A aplicação de calor em um nervo periférico aumenta o limiar de dor na área inervada sem afetar a função motora.

A DOC provoca o aumento do metabolismo, o que leva à liberação adicional de dióxido de carbono e ácido láctico, induzindo à menor acidez dos tecidos aquecidos, o que tende a provocar vasodilatação.