Trong quá trình rang, áp suất hình thành bên trong hạt cà phê do hơi nước và khí carbon dioxide được tạo ra. Áp suất này làm hạt cà phê nở ra, tăng thể tích lên gấp đôi so với ban đầu. Cấu trúc hạt trở nên xốp hơn, yếu hơn, và dễ gãy hơn, điều này rất quan trọng để có thể xay và chiết xuất cà phê. Hạt cà phê không tăng kích thước đột ngột như bỏng ngô mà nở dần đều trong suốt quá trình rang.
Tuy nhiên, kích thước hạt tăng nhanh hơn vào cuối quá trình rang, khi lượng carbon dioxide sản sinh nhiều hơn. Sự thay đổi kích thước và độ xốp liên quan chặt chẽ đến lượng và tốc độ hình thành carbon dioxide trong quá trình rang. Cà phê được rang ở nhiệt độ cao hơn hoặc màu rang đậm hơn thường nở nhiều hơn và trở nên xốp hơn, có thể do lượng carbon dioxide thoát ra nhiều hơn.
Kích thước lỗ rỗng trong hạt rất đa dạng, từ các khoang lớn do hạt nứt ra cho đến các lỗ siêu nhỏ trong cấu trúc hạt. Nhiều lỗ rỗng trong cấu trúc hạt được hình thành từ các tàn dư của thành tế bào, vốn là các polysaccharide bền chắc bao quanh và hỗ trợ từng tế bào thực vật. Sau khi rang, các tế bào trống tạo thành các lỗ rỗng vi mô với đường kính khoảng 40 micromet. Thành tế bào cũng chứa các lỗ nhỏ hơn, rộng từ 10–50 nanomet, kết nối các tế bào với nhau. Ngoài ra, còn có những lỗ siêu nhỏ, chỉ vài nanomet, hình thành trong cấu trúc thành tế bào, nơi giữ lại khí carbon dioxide được tạo ra trong quá trình rang. Khi cà phê được rang ở nhiệt độ cao hơn, các lỗ kết nối giữa các tế bào trở nên lớn hơn, điều này có thể là nguyên nhân cho phép dầu thoát ra khỏi hạt cà phê trong các rang đậm.
Sau khi rang, cấu trúc hạt yếu hơn do thay đổi trong cấu trúc vật lý và do mất nước. Khi hạt bị khử nước ở nhiệt độ thấp, chúng trở nên yếu hơn rõ rệt, giảm lực cần thiết để làm vỡ hạt từ 230 Newton xuống còn 50 Newton. Tuy nhiên, cà phê rang chỉ cần lực khoảng 20 Newton để vỡ, do đó sự yếu đi của cà phê rang không chỉ do mất nước mà còn liên quan đến sự thay đổi trong cấu trúc tế bào.
Nước có tác dụng làm mềm, giúp cấu trúc hạt xanh ít giòn hơn so với hạt đã rang. Tuy vậy, điều bất ngờ là hạt có độ ẩm cao lại nở ít hơn trong quá trình rang so với hạt đã được sấy khô trước đó, mặc dù cấu trúc tế bào của hạt có độ ẩm cao được kỳ vọng sẽ đàn hồi hơn.
Ngoài việc làm nở cấu trúc tế bào, quá trình rang còn phá vỡ một số cấu trúc polysaccharide tạo nên thành tế bào. Cellulose, thành phần chính trong thành tế bào, vẫn khá nguyên vẹn ngay cả trong các rang đậm. Tuy nhiên, các thành phần khác của thành tế bào, chiếm 85% cấu trúc, bị phân hủy đáng kể trong quá trình rang. Tùy thuộc vào điều kiện rang, có từ 12-40% tổng polysaccharide trong cà phê bị phân hủy.
Mức độ phân hủy polysaccharide dường như cũng phụ thuộc vào giống cà phê. Một nghiên cứu đã phân tích sự thay đổi polysaccharide trong các giống Yellow Caturra, Catimor, và Sarchimor trong quá trình rang. Mặc dù các giống này ban đầu có lượng polysaccharide tương tự, độ ẩm gần giống nhau, và được rang đến cùng màu sắc và mức giảm khối lượng, nhưng sau khi rang nhẹ, 25% polysaccharide trong Yellow Caturra đã bị phân hủy, so với 11% ở Catimor và 15% ở Sarchimor. Tuy nhiên, sự khác biệt này không còn rõ ràng khi rang đậm hơn.
