高速工具鋼的熱處理比較復雜，必須經過退火、淬火、回火等一系列過程。

1. 退火
高速鋼鍛造后必須進行退火，目的在于消除應力，降低硬度，使顯微組織均勻，便于淬火。具體工藝可采用等溫退火，加熱到860-880攝氏度保溫，然后冷卻到720-750攝氏度保溫，爐冷至550攝氏度以下出爐。
硬度為207-225HBW，組織為索氏體+碳化物。

2.淬火
高速鋼的淬火加熱溫度很高，一般在1220-1280攝氏度，目的是使更多的W、V融入奧氏體中。在1000攝氏度以上加熱淬火，W、V在奧氏體中的溶解度急劇增加；
在1300攝氏度左右加熱，各合金元素在奧氏體中的溶解度也大為增加。但時間稍長，會造成晶粒長大，甚至出現晶界融化，這也就是淬火溫度和加熱時間需要精確掌握的原因。
另外，高碳高合金元素的存在，高速鋼的導熱性很差，所以淬火加熱時采用分級預熱，一次預熱溫度600-650攝氏度，二次預熱800-850攝氏度，這樣的加熱工藝可以避免由熱力而造成的變形或開裂，工廠均采用鹽爐加熱。
淬火冷卻采用油中分級淬火法。淬火后組織為馬氏體+碳化物+殘留奧氏體（25%-30%）

3. 回火 
為了消除淬火應力，減少殘留奧氏體量，穩定組織，達到性能要求，高速鋼淬火后要立即回火。高速鋼的回火，一般進行三次，回火溫度560攝氏度，每次1-1.5小時。



高速鋼淬火組織中的碳化物在回火時不發生變化，只有馬氏體和殘留奧氏體發生引變引起性能的變化。
高速鋼淬火后殘留奧氏體量大約為30%，第一次回火只對淬火馬氏體起回火作用，在回火冷卻過程中，發生殘留奧氏體的轉變，同時產生新的內應力。
經過第二次回火，沒有徹底轉變的殘留奧氏體繼續發生新的轉變，又產生新的內應力。這就需要進行第三次回火。三次回火后仍保留有1%-3%的殘留奧氏體。
為了減少回火次數，也可以在淬火后立即進行冷處理（-60~-80攝氏度），講殘留奧氏體量減少到最低程度，然后再進行一次560攝氏度回火。
高速鋼正常淬火、回火后的組織應是極細的回火馬氏體、粒狀碳化物等。