Alatni čelik ima visok sadržaj ugljika, općenito više od 0,5% težine. Funkcija ugljika je stvaranje karbida u matrici čelika, čime se povećava tvrdoća čelika. Ovaj karbid povećava otpornost materijala na trošenje, čineći ga tvrđim i jačim.
Alatni čelik općenito sadrži krom, vanadij, volfram, molibden i druge elemente. Oni su od velike važnosti za poboljšanje otpornosti na trošenje, tvrdoće i žilavosti čelika. Na primjer, krom može povećati otpornost na koroziju, dok volfram i molibden mogu povećati tvrdoću i otpornost na trošenje.
Koristeći tehnologiju toplinske obrade visoke preciznosti, alatni čelik može imati visoku čvrstoću i tvrdoću. Alatni čelik općenito se zagrijava na određenu temperaturu i zatim brzo očvrsne pomoću rashladnog medija kao što je ulje ili voda. Ovo brzo hlađenje "zamrzava" atomski sastav čelika, čineći ga tvrđim. Naknadnim kaljenjem (na nižoj temperaturi) postiže se ravnoteža tvrdoće i žilavosti, što rezultira jačim i izdržljivijim čelikom.
