In der Physik wird davon ausgegangen, dass Kälte durch einen Wärmentzug entsteht. Dieser physikalische Vorgang wird bei der Kältetherapie ausgenutzt. Kälte dämpft Entzündungen aller Art, weil durch eine verringerte Körpertemperatur die Aktivität der Entzündungsmediatoren gehemmt wird. Der Flüssigkeitsaustritt aus Blut- und Lymphgefäßen verringert sich bei Kälte, die Gefäße verengen sich und die Haut wird spärlicher durchblutet. Weil die Reflexe des Nervensystems generell herabgesetzt sind, nimmt auch die Schmerzempfindung unter der Haut, beispielsweise in den Gelenken und Muskeln, ab. Kurzzeitig regen Kältereize die Muskelaktivität an, die Muskelspannung steigt. Lang andauernde Kältereize vermindern allerdings die Muskelaktivität, die Muskelspannung wird dadurch gesenkt und Verkrampfungen werden aufgelockert.

Die Anwendungspalette der Kältetherapie ist groß. Kältetherapie ist prinzipiell möglich nach Operationen, Bänder-, Gelenks- und Muskelverletzungen, verschleißbedingten Gelenks- und Wirbelsäulenerkrankungen, spastischen Muskelverspannungen oder bei Erkrankungen des rheumatischen Formenkreises. In der Kältekammer kann lokale Eisbehandlung, Kaltluft und auch die Ganzkörperkältetherapie zum Einsatz kommen. Kältetherapie bei Arthrosen besteht oft aus kombinierten Methoden, die auch zu Hause angewendet werden können. Auch bei Autoimmunerkrankungen und Bindegewebserkrankungen wird die Kältetherapie angewandt, zum Beispiel als Kaltluft- oder Ganzkörperkältetherapie in der Kältekammer. Im Rahmen von krankengymnastischen Übungen kommt die Kältetherapie beispielsweise als Eismassage zur Anwendung.