Nástrojová oceľ má vysoký obsah uhlíka, vo všeobecnosti viac ako 0,5 % hmotnosti. Funkciou uhlíka je vytvárať karbidy v matrici ocele, čím sa zvyšuje tvrdosť ocele. Tento karbid zvyšuje odolnosť materiálu proti opotrebeniu, vďaka čomu je tvrdší a pevnejší.
Nástrojová oceľ vo všeobecnosti obsahuje chróm, vanád, volfrám, molybdén a ďalšie prvky. Majú veľký význam pri zlepšovaní odolnosti ocele proti opotrebovaniu, tvrdosti a húževnatosti. Napríklad chróm môže zvýšiť odolnosť proti korózii, zatiaľ čo volfrám a molybdén môžu zvýšiť tvrdosť a zvýšiť odolnosť proti opotrebovaniu.
Pomocou vysoko presnej technológie tepelného spracovania môže mať nástrojová oceľ vysokú pevnosť a tvrdosť. Nástrojová oceľ sa vo všeobecnosti zahrieva na určitú teplotu a potom sa rýchlo vytvrdzuje pomocou chladiaceho média, ako je olej alebo voda. Toto rýchle ochladenie „zmrazí“ atómové zloženie ocele, čím sa sťaží. Následným popúšťaním (pri nižšej teplote) sa dosiahne rovnováha tvrdosti a húževnatosti, výsledkom čoho je pevnejšia a odolnejšia oceľ.
