热处理过程一般包括加热、保温和冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程是相互联系的，不可中断。
加热是热处理的重要步骤之一。金属热处理有许多加热方法。木炭和煤长期以来被用作热源，然后液体和气体燃料被使用。电的应用使得供暖易于控制，并且没有环境污染。这些热源可用于直接或间接通过熔盐或金属或甚至悬浮颗粒加热。
当金属被加热时，工件暴露在空气中，经常发生氧化和脱碳(即钢零件表面的碳含量降低)，这对热处理后零件的表面性能有非常不利的影响。因此，金属通常应在受控气氛或保护气氛、熔盐和真空中加热，也可通过涂层或包装进行保护。
加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一。选择和控制加热温度是保证热处理质量的主要问题。加热温度根据待处理的金属材料和热处理的目的而变化，但通常加热到相变温度以上以获得所需的结构。此外，转变需要一定的时间，因此当金属工件的表面达到所需的加热温度时，必须在该温度下保持一定的时间，以便内部和外部温度一致，并且微结构被完全转变。这段时间称为保温时间。当采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般没有保温时间或保温时间很短，而化学热处理的保温时间往往较长。
冷却也是热处理过程中不可缺少的一步。冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。通常，退火冷却速度慢，正火冷却速度快，淬火冷却速度快。然而，对于不同的钢种也有不同的要求。例如，空气硬化钢可以以与正火相同的冷却速度硬化。
金属热处理工艺可分为整体热处理、表面热处理、局部热处理和化学热处理。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类可分为几种不同的热处理工艺。通过采用不同的热处理工艺，同一种金属可以获得不同的结构，从而具有不同的性能。钢铁是工业上广泛使用的金属，而且钢铁的显微组织也很复杂，所以钢铁的热处理工艺有很多种。
整体热处理是一种金属热处理工艺，将工件整体加热，然后以适当的速度冷却，以改变其整体机械性能。钢的整体热处理包括四个基本过程:退火、正火、淬火和回火。
退火→将工件加热到合适的温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后缓慢冷却(冷却速度慢)，以使金属内部结构达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或为进一步淬火做准备。正火→工件被加热到合适的温度，然后在空气中冷却。正火效果类似于退火，除了所获得的微观结构更精细。它通常用于提高材料的切削性能，有时也用于一些低要求零件的最终热处理。
淬火→工件加热保温后，在水、油或其他无机盐、有机水溶液等淬火介质中快速冷却。淬火后，钢变得坚硬但同时又易碎。为了降低钢零件的脆性，淬火后的钢零件在高于室温但低于710℃的合适温度下长时间保温，然后冷却。这个过程叫做回火。退火、正火、淬火和回火是整体热处理中的“四火”，其中淬火和回火关系密切，经常一起使用，缺一不可。
“四火”演化出不同的热处理工艺，具有不同的加热温度和冷却方法。为了获得一定的强度和韧性，将高温淬火和回火结合在一起，称为淬火和回火。在某些合金被淬火形成过饱和固溶体后，它们被长时间保持在室温或稍高的适当温度，以提高合金的硬度、强度或电磁性能。这种热处理过程称为时效处理。将压力加工变形和热处理有效而紧密地结合起来，使工件获得良好的强韧性配合的方法称为形变热处理。负压气氛或真空中的热处理称为真空热处理。它不仅能防止工件氧化和脱碳，保持被处理工件表面的清洁和光亮，提高工件的性能，还能引入渗剂进行化学热处理。
表面热处理是一种金属热处理工艺，仅加热工件表面以改变表面的机械性能。为了仅加热工件的表面层，而不将过多的热量传递到工件内部，所使用的热源必须具有高能量密度，即，每单位面积给予工件大量的热能，使得工件的表面层或部分能够在短时间内或瞬间达到高温。表面热处理的主要方法有激光热处理、火焰淬火和感应加热热处理。常见的热源包括火焰，如氧乙炔或氧丙烷、感应电流、激光和电子束等。
化学热处理是一种改变工件表层化学成分、结构和性质的金属热处理工艺。化学热处理不同于表面热处理，表面热处理改变了工件表层的化学成分。化学热处理是在含有碳、氮或其他合金元素的介质(气体、液体、固体)中加热工件，并长时间保持该温度，从而使工件表层渗透碳、氮、硼、铬等元素。元素渗入后，有时会进行淬火和回火等其他热处理工艺。化学热处理的主要方法有渗碳、渗氮、金属渗透、复合渗透等。
热处理是机械零件和工具制造过程中的重要工序之一。一般来说，它可以保证和改善工件的各种性能，如耐磨性、耐腐蚀性等。坯料的结构和应力状态也可以得到改善，以便于各种冷、热加工。例如，可锻铸铁可以通过长时间退火白口铸铁来提高塑性。采用正确的热处理工艺，齿轮的使用寿命可以比未经热处理的齿轮长一倍或几十倍。此外，低价碳钢通过渗透一些合金元素，具有一些高价合金钢的性能，可以替代一些耐热钢和不锈钢。几乎所有的工具和模具在使用前都需要热处理。
