Med et kulstofindhold på mellem 0,5% og 1,5% fremstilles værktøjsstål under nøje kontrollerede betingelser for at producere den krævede kvalitet. Tilstedeværelsen af carbider i deres matrix spiller den dominerende rolle i kvaliteterne af værktøjsstål. De fire hovedlegerende elementer, der danner karbider i værktøjsstål, er: wolfram, chrom, vanadium og molybdæn. Opløsningshastigheden af de forskellige carbider i austenitformen af jernet bestemmer ståltemperaturens ydeevne (langsommere er bedre, hvilket gør det til et varmebestandigt stål). Korrekt varmebehandling af disse stål er vigtigt for tilstrækkelig ydeevne. Manganindholdet holdes ofte lavt for at minimere risikoen for revnedannelse under vanddæmpning.
Der er seks grupper af værktøjsstål: vandhærdning, koldt arbejde, stødfast, højhastighedstog, varmt arbejde og specielt formål. Valg af gruppe, der skal vælges, afhænger af omkostninger, arbejdstemperatur, krævede overfladehårdhed, styrke, stødbestandighed og sejhedskrav. Jo mere svær driftsbetingelsen (højere temperatur, slidstyrke, ætsning, belastning), jo højere legeringsindhold og dermed mængden af carbider, der kræves til værktøjsstål.
Værktøjsstål anvendes til skæring, pressning, ekstrudering og møntning af metaller og andre materialer. Deres brug, som f.eks. Fremstilling af sprøjtestøbeformer, er afgørende på grund af deres modstandsdygtighed over for slid, hvilket er et vigtigt kriterium for en form, der vil blive brugt til at producere hundreder af tusindvis af lister af et produkt eller en del.
AISI-SAE-kvaliteterne af værktøjsstål er den mest almindelige skala, der anvendes til at identificere forskellige kvaliteter af værktøjsstål. Individuelle legeringer inden for en karakter er givet et tal; for eksempel: A2, O1 osv.