冷害引起的植物损伤首先发生在细胞膜系统。冷冻造成的脱水现象导致膜系统损伤。低温引起植物胞外或胞内结冰，由于胞外空间冰点较高且有一些杂质作为冰核，所以胞外先于胞内形成冰晶。冰晶溶液比液态溶液的水势低得多，并且温度越低水势差值越大，因而胞内的水分通过质膜流出，导致细胞严重脱水。脱水会对细胞造成严重伤害，包括膜结构的改变和功能的丧失。脱水后升温，原生质迅速膨胀而裂解 ；脂分子双层被破坏，部分膜脂疏水头部聚在一起形成直径 2nm的六角锥形结构；在经低温驯化的原生质体中，可以观察到膜片跳跃现象，可能是由于质膜与其他细胞膜，尤其叶绿体被膜融合而引起。由于低温诱导而产生的过氧化物也能损伤膜结构，胞外形成的冰晶刺伤细胞壁或细胞膜引起细胞的破裂。这些均使质膜失去渗透反应能力。低温还会使温度敏感的蛋白质变性，冷敏感水稻细胞液泡膜 ATP酶等酶活性降低，而质膜ATP 酶活性变化小。

也就是低温会造成细胞内冰晶形成和生长、渗透势的改变及低温直接导致的细胞活性降低，进而使植物细胞膜结构受损、部分蛋白失活，影响到细胞正常的生理功能，甚至造成细胞的破裂死亡，影响了植物的生长发育或导致植物死亡。