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生豆是咖啡漿果內的堅硬種子，除了粗纖維之外，還含有水分、綠原酸、蛋白質、生物礆、咖啡因、脂肪類、糖類等物質。在高溫烘焙的同時，上述的物質會出現像是梅納反應、史崔克降解等化學變化，從而產生咖啡單寧酸、菸草酸、芳香酯、醇類、碳水化合物等影響咖啡風味的物質。
所以，對於烘焙咖啡豆這件事，我們可以將它理解爲是個溫度上升的過程，但必須是在受控制的情況之下。也因爲如此，烘焙時的溫度高低與升溫快慢，就是造成風味差異的主要原因。
從實際的烘焙過程中，我們可以觀察到生豆顏色的變化，會從原本含水量高時的青綠色，經過高溫烘焙脫去大部分的水份後，轉爲略白的黃色。隨着溫度繼續上升，逐漸泛黃，當到達產生梅納反應的溫度時，表面明顯的變爲褐色，並逐漸加深。若持續的加溫，會出現碳化現象，咖啡豆就變成深黑色，表面還帶着油脂的亮感，若不停止加熱，最後還會起火燃燒。
除了顏色上的變化，咖啡豆的體積也會出現不同的改變，除了小幅度的受熱膨脹之外，還會在不同溫度時，產生兩次爆裂的現象，體積約會增加６０％之多。在體積膨脹的同時，由於失去水份和銀皮脫除的原因，總重量也會減少，隨着烘焙淺到深，大約會減少１２～２０％的重量。
除了烘焙溫度和時間長短之外，藉由外觀顏色、體積變化、失重比率，我們可以初步的判斷出咖啡豆的烘焙程度。另外，也可以透過 Agtron 焦糖化光譜分析儀來做檢測，精準的得到烘焙度的深淺爲何。
瞭解咖啡烘焙機器的設計原理
以臺灣製造的烘豆機爲例，在烘焙過程中，能夠控制的功能有瓦斯火力、排氣閥門、鍋爐轉速；提供的溫度觀察數值則有爐內豆溫、出風口溫度這兩項，並有觀豆窗和取樣棒來判斷生豆外貌和氣味。
不停旋轉的鍋爐是爲讓了生豆能夠均勻受熱，鍋爐內良好的擋板設計，讓攪動時更顯活潑跳躍，避免點狀燙傷。當轉速緩慢時，生豆與鍋爐接觸的時間長；轉動快速時，生豆被拋在熱風中的時間長，這兩者對風味會產生影響。但是，鍋爐轉速在德國、日本、美國的烘焙機器上，是無法調整的。
除了火力之外，瓦斯火排與鍋爐之間的距離，稱爲火距，也是機器設計時的一大難題。日系品牌烘豆機常施作的改裝，就是增加瓦斯噴嘴數目，但把火距拉遠，其實考慮的也是均勻受熱的問題。臺灣製造的新款機器，則是把瓦斯噴嘴改爲三排雙開關的設計，視烘焙量多寡點火，增加操作的靈活度。
點火加熱，熱能會藉由傳導、對流、輻射這三種型態，對咖啡豆產生加熱效果。
除了全熱風式機器是以對流熱爲主之外，我們常聽到的還有半熱風和直火式這兩種機器。簡單的來說，直火式烘豆機的烘焙室鍋壁是有打孔的，能讓輻射熱直接作用到生豆上面，這樣的機器，還可以加裝遠紅外線套件，讓輻射熱達到最大效用。
半熱風式機器則是利用傳導熱與對流熱爲主，當火力固定時，排氣閥門的大小控制，就是影響對流熱的主要因素。
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