冰淇淋并非简单的水、糖、脂肪的混合物，而是一个复杂的热力学体系。从分子层面看，其核心结构由四个相态构成：冰晶、脂肪球、气泡以及未冻结的浓缩液相。理想的冰淇淋质地，取决于冰晶尺寸是否控制在30-50微米以下，这直接决定了入口是否细腻无冰渣。
配方的科学拆解，关键在于平衡“冻结曲线”。糖类（蔗糖、葡萄糖浆）通过降低冰点，控制冰晶生成速率；脂肪（乳脂或植物油）在搅拌过程中形成部分聚集的脂肪网络，稳定气泡结构；乳化剂（单甘脂、蛋黄卵磷脂）则降低油水界面张力，防止脂肪球过度聚集。蛋白质（乳清蛋白、酪蛋白）除了提供风味，其水合作用能增强液相粘度，抑制冰晶长大。
工艺层面，核心参数在于“冷冻速率”与“空气膨胀率”。工业化生产中，物料需在-5℃至-8℃区间内进行连续刮擦式冷冻，这一过程被称为动态冷冻。高速刮刀将初生冰晶打碎，同时引入占总体积50%-100%的空气，形成微米级气泡网络。若冷冻速率过慢，冰晶会因奥斯特瓦尔德熟化效应而粗化；若膨胀率不足，则产品口感过重，缺乏蓬松感。