Comme défini par l'American Iron and Steel Institute, tout acier est considéré comme de l'acier au carbone lorsqu'il n'y a pas de teneur minimale spécifiée pour tout autre élément d'alliage autre que le carbone. Les aciers au carbone contiennent une teneur en carbone comprise entre 0,05 et 3 pour cent, et des traces d'autres éléments, tels que le manganèse. L'acier à faible teneur en carbone contient une teneur en carbone maximale de 0,35 % ; acier à teneur moyenne en carbone, maximum 0,6 pour cent; et les aciers à haute teneur en carbone, jusqu'à 2,5 pour cent.
Lorsqu'il est présent en tant qu'élément d'alliage, le carbone rend l'acier plus dur et plus cassant lorsqu'il est trempé. Ces effets s'intensifient à mesure que la teneur en carbone de l'acier augmente. En raison de leur nature fragile après le processus de trempe, les aciers à haute teneur en carbone doivent être traités thermiquement pour obtenir un équilibre entre dureté et résistance. Des teneurs en carbone plus élevées entraînent également une réduction de la ductilité et de la soudabilité de l'acier.
Malgré les effets néfastes que le carbone peut avoir sur l'acier, les aciers au carbone représentent environ 90 % de tous les aciers produits. Les aciers à teneur moyenne en carbone sont fréquemment utilisés dans des applications qui nécessitent un équilibre entre résistance, ductilité et résistance à l'usure, telles que les pièces automobiles. Les aciers à haute teneur en carbone sont utilisés pour des applications nécessitant un niveau élevé de résistance, telles que des câbles et des ressorts à haute résistance. Les aciers à très haute teneur en carbone, une classification désignée pour les aciers contenant entre 2,5 et 3 pour cent de carbone, sont uniquement utilisés pour des applications nécessitant un niveau de dureté très élevé, comme les poinçons et les axes.
