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生豆是咖啡浆果内的坚硬种子，除了粗纤维之外，还含有水分、绿原酸、蛋白质、生物硷、咖啡因、脂肪类、糖类等物质。在高温烘焙的同时，上述的物质会出现像是梅纳反应、史崔克降解等化学变化，从而产生咖啡单宁酸、菸草酸、芳香酯、醇类、碳水化合物等影响咖啡风味的物质。
所以，对於烘焙咖啡豆这件事，我们可以将它理解为是个温度上升的过程，但必须是在受控制的情况之下。也因为如此，烘焙时的温度高低与升温快慢，就是造成风味差异的主要原因。
从实际的烘焙过程中，我们可以观察到生豆颜色的变化，会从原本含水量高时的青绿色，经过高温烘焙脱去大部分的水份後，转为略白的黄色。随着温度继续上升，逐渐泛黄，当到达产生梅纳反应的温度时，表面明显的变为褐色，并逐渐加深。若持续的加温，会出现碳化现象，咖啡豆就变成深黑色，表面还带着油脂的亮感，若不停止加热，最後还会起火燃烧。
除了颜色上的变化，咖啡豆的体积也会出现不同的改变，除了小幅度的受热膨胀之外，还会在不同温度时，产生两次爆裂的现象，体积约会增加６０％之多。在体积膨胀的同时，由於失去水份和银皮脱除的原因，总重量也会减少，随着烘焙浅到深，大约会减少１２～２０％的重量。
除了烘焙温度和时间长短之外，藉由外观颜色、体积变化、失重比率，我们可以初步的判断出咖啡豆的烘焙程度。另外，也可以透过 Agtron 焦糖化光谱分析仪来做检测，精准的得到烘焙度的深浅为何。
了解咖啡烘焙机器的设计原理
以台湾制造的烘豆机为例，在烘焙过程中，能够控制的功能有瓦斯火力、排气阀门、锅炉转速；提供的温度观察数值则有炉内豆温、出风口温度这两项，并有观豆窗和取样棒来判断生豆外貌和气味。
不停旋转的锅炉是为让了生豆能够均匀受热，锅炉内良好的挡板设计，让搅动时更显活泼跳跃，避免点状烫伤。当转速缓慢时，生豆与锅炉接触的时间长；转动快速时，生豆被抛在热风中的时间长，这两者对风味会产生影响。但是，锅炉转速在德国、日本、美国的烘焙机器上，是无法调整的。
除了火力之外，瓦斯火排与锅炉之间的距离，称为火距，也是机器设计时的一大难题。日系品牌烘豆机常施作的改装，就是增加瓦斯喷嘴数目，但把火距拉远，其实考虑的也是均匀受热的问题。台湾制造的新款机器，则是把瓦斯喷嘴改为三排双开关的设计，视烘焙量多寡点火，增加操作的灵活度。
点火加热，热能会藉由传导、对流、辐射这三种型态，对咖啡豆产生加热效果。
除了全热风式机器是以对流热为主之外，我们常听到的还有半热风和直火式这两种机器。简单的来说，直火式烘豆机的烘焙室锅壁是有打孔的，能让辐射热直接作用到生豆上面，这样的机器，还可以加装远红外线套件，让辐射热达到最大效用。
半热风式机器则是利用传导热与对流热为主，当火力固定时，排气阀门的大小控制，就是影响对流热的主要因素。
