渗透性冷冻保护剂多是一些小分子物质，可以透过细胞膜渗透到细胞内。

渗透性冷冻保护剂主要包括二甲基亚砜、甘油、乙二醇、丙二醇、乙酰胺、甲醇等。其保护机制是在细胞冷冻悬液完全凝固之前，渗透到细胞内，在细胞内外产生一定的摩尔浓度，降低细胞内外未结冰溶液中电解质的浓度，从而保护细胞免受高浓度电解质的损伤同时。细胞内水分也不会过分外渗，避免了细胞过分脱水皱缩。

在使用渗透性冷冻保护剂时，需要一定时间进行预冷，在细胞内外达到平衡以起到充分的保护作用。

目前使用较多的是二甲基亚砜、甘油、乙二醇和丙二醇等。