咖啡萃取時利用了兩個主要的物理化學原理：溶解和擴散。

在烘焙過程中，咖啡細胞內部發生化學反應，生成散發出咖啡香氣和味道的多種成分。作為這些化學反應的副產物，咖啡內部慢慢形成的氣體使細胞開始膨脹。這些氣體和水分通過細胞內部非常小的細孔往外排出。這些不計其數的細孔中含有烘焙過程中形成的主導咖啡味道的成分。

要想溶解這些成分，首先要粉碎咖啡豆，而且盡可能地把咖啡豆細胞組織內部的細孔多裸露到表面。然後慢慢注水，就能溶化出咖啡的成分。

咖啡裝入濾杯里，先少量注水至咖啡浸透，咖啡就開始膨脹。這是因為熱水順著烘焙過程中形成的咖啡細胞之間的毛細管，浸入到咖啡細胞內的同時，把細胞內的氣體往外推擠出來，使得咖啡膨脹。

進入到咖啡細胞內的水，開始溶解咖啡成分從而形成了濃厚的咖啡溶液。靜置一會兒再次往濾杯內注水，這時咖啡細胞內形成的溶液和新注入的水之間產生濃度之差，濃濃的咖啡溶液就開始往新注入的水中推送咖啡成分，這種過程就是擴散。