Hóa lỏng khí tự nhiên tuân theo quy luật chuyển pha nhiệt động. Khi nhiệt độ dưới điểm tới hạn (metan -82,6 độ), pha khí có thể chuyển thành pha lỏng bằng cách tăng áp suất hoặc giảm nhiệt độ.
Dưới áp suất bình thường, hóa lỏng cần làm mát đến -162 độ, trong khi ở áp suất 4,5 MPa, nó chỉ cần làm mát đến -84 độ. Quá trình này đòi hỏi phải vượt qua động năng của các phân tử khí, điều này đạt được nhờ máy nén thực hiện công và bộ trao đổi nhiệt loại bỏ nhiệt, do đó làm giảm năng lượng bên trong.
Sản phẩm hình thành sau khi hóa lỏng được gọi là khí tự nhiên hóa lỏng (LNG), thành phần chính là metan. LNG có thể tích nhỏ hơn 625 lần so với cùng khối lượng khí tự nhiên, giúp việc lưu trữ và vận chuyển dễ dàng hơn. LNG có điểm chớp cháy xấp xỉ 650 độ và phạm vi giới hạn nổ 4,7%~15% nên việc sản xuất và sử dụng nó tương đối an toàn.