在從石器時代進展到銅器時代和鐵器時代的過程中，熱處理的作用逐漸為人們所認識。早在公元前770至前222年，中國人在生產(chǎn)實踐中就已發(fā)現(xiàn)，銅鐵的性能會因溫度和加壓變形的影響而變化。白口鑄鐵的柔化處理就是制造農(nóng)具的重要工藝。

公元前六世紀，鋼鐵兵器逐漸被采用，為了提高鋼的硬度，淬火工藝遂得到迅速發(fā)展。中國河北省易縣燕下都出土的兩把劍和一把戟，其顯微組織中都有馬氏體存在，說明是經(jīng)過淬火的。

隨著淬火技術的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)淬冷劑對淬火質(zhì)量的影響。三國蜀人蒲元曾在今陜西斜谷為諸葛亮打制3000把刀，相傳是派人到成都取水淬火的。這說明中國在古代就注意到不同水質(zhì)的冷卻能力了，同時也注意了油和尿的冷卻能力。中國出土的西漢(公元前206～公元24)中山靖王墓中的寶劍，心部含碳量為0.15～0.4%，而表面含碳量卻達0.6%以上，說明已應用了滲碳工藝。但當時作為個人“手藝”的秘密，不肯外傳，因而發(fā)展很慢。

1863年，英國金相學家和地質(zhì)學家展示了鋼鐵在顯微鏡下的六種不同的金相組織，證明了鋼在加熱和冷卻時，內(nèi)部會發(fā)生組織改變，鋼中高溫時的相在急冷時轉變?yōu)橐环N較硬的相。法國人奧斯蒙德確立的鐵的同素異構理論，以及英國人奧斯汀早制定的鐵碳相圖，為現(xiàn)代熱處理工藝初步奠定了理論基礎。與此同時，人們還研究了在金屬熱處理的加熱過程中對金屬的保護方法，以避免加熱過程中金屬的氧化和脫碳等。

1850～1880年，對于應用各種氣體（諸如氫氣、煤氣、一氧化碳等）進行保護加熱曾有一系列。1889～1890年英國人萊克獲得多種金屬光亮熱處理的。

二十世紀以來，金屬物理的發(fā)展和其他新技術的移植應用，使金屬熱處理工藝得到更大發(fā)展。一個的進展是1901～1925年，在工業(yè)生產(chǎn)中應用轉筒爐進行氣體滲碳；30年代出現(xiàn)露點電位差計，使爐內(nèi)氣氛的碳勢達到可控，以后又研究出用二氧化碳紅外儀、氧探頭等進一步控制爐內(nèi)氣氛碳勢的方法；60年代，熱處理技術運用了等離子場的作用，發(fā)展了離子滲氮、滲碳工藝 ；激光、電子束技術的應用，又使金屬獲得了新的表面熱處理和化學熱處理方法。