碳素钢有各种分类方法，如按化学成分（即以含碳量）可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。按钢的品质可分为普通碳素钢和优质碳素钢。按用途则又可分为碳素结构钢、碳素工具钢。此外，还可以按冶炼方法和所保证的性能要求等来进行分类。
碳素工具钢含碳量在0.65～1.35%之间，经热处理后可得到高硬度和高耐磨性，主要用于制造各种工具、刃具、模具和量具（见工具钢）。
含碳量在2.11%时，作为铸铁和碳钢的黄金分割点。碳含量在2.11%之前为碳钢。碳含量在2.11%之后为铸铁。而碳含量在0.0218%至0.77%之间称为亚共析钢，0.77%至2.11%之间称为过共析钢。含碳量为0.77%为共析钢。碳含量在2.11%至4.3%，称为亚共晶白口铸铁，碳含量在4.3%至6.69%之间称为过共晶白口铸铁。碳含量在4.3%为共晶白口铸铁。
碳素钢中的残余元素和杂质元素如锰、硅、镍、磷、硫、氧、氮等，对碳素钢的性能也有影响。这和影响有时互相加强，有时互相抵销。例如：硫、氧、氮都能增加钢的热脆性，而适量的锰可减少或部分抵销其热脆性。残余元素除锰、镍外都降低钢的冲击韧性，增加冷脆性。除硫和氧降低强度外，其它杂质元素均在不同程度上提高钢的强度。几乎所有的杂质元素都能降低钢的塑性和焊接性。
碳素钢的塑性加工工艺通常分热加工和冷加工。经过热加工，钢锭中的小气泡、疏松等缺陷被焊合起来，使钢的组织致密。同时，热加工可破坏铸态组织、细化晶粒。使锻轧的钢材比铸态具有更好的力学性能。经冷加工的钢，随着冷塑性变形程度增大，强度和硬度增加，塑性和韧性降低。为提高成材率，广泛应用连续铸钢工艺。