凝固

主條目：結晶

許多液體在凝固時會結晶，形成晶體的固體。結晶的過程是一階的熱力學相變化，在液態固態共存的期間，系統的平衡温度不變，等於凝固點。結晶主要包括二個現象：成核和晶體生長。成核是指分子開始聚集形成晶核，在奈米尺度以已定義的週期形式排列，其排列方式決定了晶體結構。晶體生長就是晶體持續的變大，最後到達晶核的臨界大小。 ^[1] 

主條目：過冷

過冷是指液體低於熔點而沒有凝固的現象。

因為勻相核化結晶的活化能，純液體的結晶一般會在略低於熔點時開始。晶核的形成也表示形成新相和液體之間的相界面，此過程會消耗能量，能量大小依其表面能而定，假如要形成的晶核太小，形成晶核產生的能量無法形成界面，就不會開始成核的現象。一直要到温度夠低，可以產生穩定的晶核，才會開始凝固。若容器的表面有不規則，或是有固體或氣體的雜質，已經形成的固體結晶，或是存在成核劑或是振動，就可能會有非勻相核化結晶，其中一些相界面的破壞會釋出能量，使得過冷點接近或等於熔點。

水在一大氣壓下的熔點很接近0℃，若在存在成核劑的情形下，其凝固點會很接近熔點，但若沒有成核劑時，水在0℃以下就會出現過冷的現象，一直要到−40℃才會形成固體。若是在2,000大氣壓的高壓下，水在−70℃之前都是處於過冷的狀態。 ^[2] 

主條目：熔化熱

凝固過程中多半會放熱，也就是説當液體相變成固體時，會釋放壓力和能量能，這部分有些違反直覺，因為除了過冷液體外，液體在凝固時温體不會上升，但若無法持續的將能量由液體中移出，凝固過程就會停止。凝固釋放的能量為潛熱，一般稱為熔化熱，也等於等量固體在熔化時需要的能量。

低温的氦是已知唯一凝固時不會放熱的物質。氦3在0.3K以下有負的熔化熱，氦4在0.8K以下有相當輕微的負熔化熱，這表示在特定的壓力下，需要提供熱量才能使氦凝固。

主條目：玻璃轉化

像玻璃或甘油等物質會在沒有結晶的情形下凝固，這稱為無定形體，無定形體也包括一些沒有凝固點的聚合物，沒有在某一特定温度下有突然的相變化，其粘彈性的特性是在一個温度範圍內漸漸變化。這類物質有一性質稱為玻璃轉化温度，大約可以定義為物質的密度和温度圖出現明顯斜率變化的“膝點”。因為玻璃轉化是一個非平衡的過程，在晶相和液相之間未達到平衡狀態，一般不視為凝固。

主條目：低温生物學

許多生物可以長期忍受攝氏零度以下低温。大部分生物會累積如抗凍蛋白、多元醇，葡萄糖等抗凍劑以避免體內的水結凍。大部分植物其至可以生存在−4°C至−12°C的低温。

像假單胞桿菌等細菌會產生特殊的蛋白質作為成核劑來，使得水果和植物表面在約−2°C時結冰，結凍會使得表皮組織受傷，使細菌可以得到中下層植物組織中的養份。

在冰凍上千年的冰塊中分別有發現存活的更新世肉食桿菌、格陵蘭金黃桿菌及Herminiimonas glaciei。

植物有一個稱為健化的過程，可以使植物在零度以下存活數週到數個月。

捻轉血矛線蟲可以在液態氮中存活44周。其他可以在0°C以下存活的線蟲包括Trichostrongylus colubriformis及Panagrolaimus davidi。許多爬蟲類及兩棲類動物可以忍受0°C以下的低温。

人類的配子以及2,4,8個細胞的胚胎可以在冰凍條件下生存到十年，此程序稱為深低温保存。

人體冷凍技術是一種試驗中的醫學技術，把人體在極低温的情況下冷藏保存，並希望在未來通過先進的醫療科技使他們解凍後復活及治療。 ^[3] 

主條目：急凍食品

冷凍也是一種常見的食物保存法，可以減緩食物腐壞的速度以及微生物生長的速度。除了低温時化學反應速率變慢外，冷凍時也可以減少細菌生長所需要的液態水。 ^[3]