Na tvrdoću ugljičnog čelika može utjecati niz različitih čimbenika, uključujući kontakt s ugljikom, količinu i vrstu drugih elemenata u leguri te specifični procesi koji se koriste za stvaranje čelika. Čelik s niskim udjelom ugljika, koji sadrži između 0.05 i 0.25% ugljika, obično je najmekša sorta, iako se može očvrsnuti postupkom poznatim kao karburizacija. Ultravisokougljični čelik, koji se može sastojati od do 2% ugljika, obično je najtvrđi tip, iako je konačna tvrdoća svakog proizvoda također određena različitim procesima toplinske obrade. Procesi kaljenja mogu povećati tvrdoću ugljičnog čelika za faktor oko četiri, iako naknadno kaljenje obično smanjuje tvrdoću.
Ugljični čelik je legura koja se prvenstveno sastoji od željeza i ugljika. Mogu biti prisutni i drugi elementi, obično u vrlo malim količinama. Postoji nekoliko različitih definicija što točno čini ugljični čelik, iako elementi poput silicija i bakra obično čine manje od 0.6% različitih legura. Neke legure ugljičnog čelika također mogu imati do 1.6% elemenata kao što je mangan. Budući da postoji niz različitih legura koje se sve obično nazivaju ugljičnim čelikom, svaka vrsta obično ima različitu tvrdoću.
Primarni čimbenik koji utječe na tvrdoću ugljičnog čelika je količina ugljika prisutna u leguri. Niskougljični čelici obično su najmekši, dok ultravisoki ugljični čelici mogu biti prilično tvrdi i lomljivi. Također je moguće mijenjati fizičke karakteristike ugljičnog čelika raznim tretmanima, bilo da se poveća ili smanji tvrdoća.
Iako je niskougljični čelik relativno mekan, proces poznat kao karburizacija može uzrokovati da postane tvrđi. Ovaj proces toplinske obrade zapravo uzrokuje da legura apsorbira dodatni ugljik iz krutih, tekućih i plinovitih izvora kao što su drveni ugljen i ugljični monoksid. Ugljik se obično apsorbira samo u površinu metala, što rezultira vanjskim slojem otvrdnutim kućištem i mekšom, duktilnom jezgrom.
Čelici s visokim sadržajem ugljika obično su vrlo teški za početak, ali procesi gašenja mogu ih učiniti još težima. Međutim, ako je legura ugljičnog čelika pretvrda, obično će biti i prilično krhka. Neke iznimno tvrde legure zapravo su podvrgnute procesima kaljenja i kaljenja koji mogu smanjiti tvrdoću ugljičnog čelika i povećati duktilnost. Drugi procesi, kao što je žarenje, također mogu učinkovito povećati duktilnost i smanjiti ukupnu tvrdoću čelika.