Værktøjsstål har et højt kulstofindhold, generelt mere end 0,5 vægtprocent. Kulstoffets funktion er at generere karbider i stålmatrixen og derved øge stålets hårdhed. Denne hårdmetal øger materialets slidstyrke, hvilket gør det hårdere og stærkere.
Værktøjsstål indeholder generelt krom, vanadium, wolfram, molybdæn og andre elementer. De er af stor betydning for at forbedre stålets slidstyrke, hårdhed og sejhed. For eksempel kan krom øge korrosionsbestandigheden, mens wolfram og molybdæn kan øge hårdheden og øge slidstyrken.
Ved hjælp af højpræcisions varmebehandlingsteknologi kan værktøjsstål have høj styrke og hårdhed. Værktøjsstål opvarmes generelt til en vis temperatur og hærdes derefter hurtigt ved hjælp af et kølemedium som olie eller vand. Denne hurtige afkøling "fryser" stålets atomare sammensætning, hvilket gør det sværere. Efterfølgende anløbning (ved lavere temperatur) opnår en balance mellem hårdhed og sejhed, hvilket resulterer i et stærkere og mere holdbart stål.
