金属热处理工艺可分为三类:整体热处理、表面热处理和化学热处理。根据加热介质、加热温度和冷却方式的不同，每一类又可分为几种不同的热处理工艺。同一种金属通过不同的热处理工艺可以获得不同的组织，因此具有不同的性能。
钢铁是工业上应用最广泛的金属，其显微组织也是最复杂的，因此钢铁的热处理工艺有很多种。整体热处理是将工件整体加热，然后以适当的速度冷却，改变其整体机械性能的金属热处理工艺。钢铁的整体热处理有四个基本工序:退火、正火、淬火和回火。
退火是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，然后慢慢冷却。目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或为进一步淬火做好组织准备。正火是将工件加热到合适的温度，然后在空气中冷却。正火的效果类似于退火，只是得到的显微组织更细，常用于提高材料的切削性能，有时也作为一些要求不高的零件的最终热处理。
淬火是将工件加热保温，然后在水、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，钢变硬，但同时变脆。为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件长时间保持在高于室温但低于650℃的适当温度下，然后冷却。这个过程叫做回火。退火、正火、淬火、回火是整个热处理中的“四火”，其中淬火和回火关系密切，所以经常一起使用，缺一不可。随着加热温度和冷却方式的不同，“四火”演变出不同的热处理工艺。为了获得一定的强度和韧性，将淬火和高温回火相结合的工艺称为调质。
有些合金淬火形成过饱和固溶体后，长时间保持在室温或稍高的温度，以提高合金的硬度、强度或电磁性。这种热处理过程称为时效处理。将压力加工变形与热处理有效而紧密地结合起来，使工件获得良好的强度和韧性的方法称为变形热处理。在负压气氛或真空中进行的热处理称为真空热处理。既能防止工件氧化脱碳，又能保持处理后工件表面光滑，提高工件性能。也可以用渗剂进行化学热处理。
