La torréfaction transforme un grain vert, dur et sans arôme, en grain brun friable et odorant. Elle consiste à chauffer le café entre cent quatre-vingt et deux cent trente degrés pendant une dizaine à une vingtaine de minutes selon les machines. Le degré de cuisson atteint et la finesse du broyage qui suit déterminent ensuite ce que la tasse restitue.
Les torréfacteurs distinguent trois grandes familles de cuisson, désignées par la couleur du grain. La torréfaction claire, dite blonde ou scandinave, arrête la cuisson peu après le premier craquement du grain et conserve l'acidité ainsi que les notes fruitées et florales de l'origine. La torréfaction moyenne, la plus répandue en France pour le café filtre, équilibre l'acidité et l'amertume et fait apparaître des notes de fruits secs et de caramel. La torréfaction foncée pousse la cuisson jusqu'au second craquement, les huiles affleurent à la surface du grain, l'acidité disparaît et des notes de cacao, de pain grillé puis de brûlé dominent. Les cafés très foncés du commerce italien ont été conçus pour l'espresso et pour une consommation avec du lait, qui atténue leur amertume.
Deux réactions chimiques expliquent l'apparition des composés aromatiques. La réaction de Maillard, entre les sucres et les acides aminés du grain, produit la majeure partie des centaines de molécules odorantes identifiées dans le café. La caramélisation des sucres suit et assombrit la couleur. Les acides chlorogéniques, abondants dans le grain vert, se dégradent à mesure que la cuisson avance, ce qui diminue l'acidité perçue. La caféine, en revanche, résiste presque entièrement à la chaleur : un café foncé n'en contient pas plus qu'un café clair à poids égal, l'écart constaté en tasse venant du volume de poudre employé et non de la cuisson.
Le grain fraîchement torréfié libère du gaz carbonique pendant plusieurs jours. Ce dégazage explique la valve unidirectionnelle posée sur les sachets professionnels et la mousse abondante qui se forme lorsque l'eau chaude touche une poudre très fraîche. Un café préparé le lendemain de la torréfaction extrait mal, car le gaz repousse l'eau et empêche le contact avec la poudre : les torréfacteurs conseillent d'attendre une semaine environ pour l'espresso, un peu moins pour le filtre. Au-delà, l'oxydation prend le relais et les arômes s'estompent, d'autant plus vite que la torréfaction est foncée et que les huiles de surface sont abondantes. Le stockage se fait dans un récipient opaque et fermé, à température ambiante, le passage au congélateur ne se justifiant que pour des grains entiers conservés plusieurs mois.
La mouture ajuste la surface de contact entre l'eau et le café, et donc la vitesse d'extraction. Une poudre fine comme du sucre glace convient à l'espresso, dont l'eau sous pression traverse la galette en vingt-cinq à trente secondes. Une mouture moyenne, comparable à du sable, correspond à la cafetière filtre et à la version à dépression. Une mouture grossière, aux particules visibles, convient au piston et à l'infusion à froid, où le café reste plusieurs minutes ou plusieurs heures en contact avec l'eau. Une erreur de calibre se corrige au goût : une tasse creuse et acide indique une sous-extraction et appelle une mouture plus fine, une tasse sèche et amère indique l'inverse.
Le type de broyeur compte autant que le réglage. Le moulin à meules, coniques ou plates, écrase le grain entre deux surfaces écartées d'une distance réglable et produit des particules de taille homogène. Le moulin à lames hache le grain par rotation rapide et donne un mélange de poussière et de gros fragments, la poussière surextrayant pendant que les fragments restent sous-extraits. L'écart de régularité se perçoit nettement sur une cafetière filtre. Les meules s'usent après plusieurs centaines de kilogrammes broyés et se remplacent, le signe d'usure étant une mouture qui doit être resserrée pour conserver le même temps d'écoulement.