Stål värmebehandlas för att åstadkomma önskade förändringar i mikrostruktur och mekaniska egenskaper. Man värmebehandlar till exempel för att ta bort inre spänningar till exempel från tidigare behandling (t.ex. som härdning, kallvalsning eller ojämn kylning), förfina kornstruktur och storlek, för ökad  tänjbarhet, för att underlätta vidare bearbetning (t.ex. smide eller valsning) förbättra de mekaniska egenskaperna (t.ex. hårdhet, seghet och slitstyrka).

Alla stål är legeringar av järn och kol. Andra legeringselement tillsätts för att uppnå specifika egenskaper. En av de huvudsakliga anledningarna för tillsats av legeringsämnen är att manipulera materialets respons på värmebehandling. Det termiska beteendet hos stål, och de förändringar i mikrostruktur som värmning och kylning ger, är grunden för all värmebehandling. Beskrivningen av hur austenit sönderfaller till cementite eller martensit med tid och temperatur finns för alla kommersiellt tillgängliga stål i så kallade Fe-C fasdiagram för jämvikt och TTT-kurvor.

Värmebehandlingsmetoderna kan delas upp i:

• Mjukgörande behandling (ex. glödgning, normalisering). Används för att minska hårdheten, förfina kornstorleken och öka bearbetbarheten. Främst i syfte att göra vidare bearbetning möjlig eller lättare.
• Härdningsprocesser (ex. härdning, sätthärdning). Används för att öka hårdheten i bulk eller yta främst i syfte färdigställa stålet för slutanvändning.
• Termokemisk värmebehandling (ex. uppkolning). Används för att utveckla specifika ytegenskaper främst i sysfte att färdigställa stålet för slutanvändning.

Värbmebehandling kan ges till gjutet material, formsmitt material och kallarbetat material som plåt och tråd och genomförs i en värmebehandlingsugn.