热处理是利用加热、保温和冷却的方法，促使金属内部组织发生变化，从而获得所需要的各种机械性能，如强度、韧性和耐磨性等的一种工艺过程。通常，模具的使用寿命及其制品质量，在很大程度上取决于热处理的质量。因此，在模具制造中，制定合理的热处理工艺和提高热处理技术水平显得十分重要。
模具钢常用的热处理工艺方法有退火、正火、淬火和回火等。
1、退火 在模具制造过程中，模具零件一般都要锻造成一定几何形状的毛坯，为了进一步对毛坯进行机械加工，必须要经过退火处理，以消除其锻造应力和加工硬化现象，并为最终热处理做好组织准备。 退火的工艺方法是首先将工件加热到临界点以上某一温度，在此温度下，保温一段时间，然后使工件随炉一起极缓慢冷却，一保证能得到稳定的结构。 根据模具材料、退火后的组织性能要求，退火工艺可分为：完全退火、不完全退火、等温退火等。在实际应用中，退火常按其目的来分类，如球化退火、扩散退火、消除应力退火和再结晶退火等。
2、正火 正火的目的是为了消除冷作、锻造或急冷时产生的内应力，细化高温过热时生成的粗大组织，改善力学性能。对于强度要求不高的零件，正火可以作为最终热处理；含碳量低于0.45%的碳钢，可用正火代替退火；正火对模具制造来讲，主要用于球化退火前的预先热处理。
3、淬火 淬火的目的是为了提高工件的硬度、耐磨性和其他力学性能。淬火是模具制造中一项必不可少的热处理工序。如凸模与凹模都要经过淬火处理，使其硬度提高，以增加模具的使用寿命和耐用度。淬火的方法是把工件加热到淬火温度以上某一温度，经保温后，置入冷却介质（水、油或盐液）中，以极快的速度（即大于临界冷却速度）进行冷却，而获得马氏体组织。
4、回火 淬火钢件加热到低于A1点以下某一温度保温一段时间，然后进行冷却的工艺称回火。回火有两种目的：一是改变淬火组织，得到一定的强度、韧性的配合；二是为了消除淬火应力和回火中的组织转变应力。 模具淬火后，应马上进行回火，以提高钢的韧性和增加耐用度。冷、热作模具重要零件根据工况的需要常进行低温或中温回火。中碳钢或中碳合金结构钢淬火后再进行高温回火的工艺称调质处理，调质主要用于结构零件的最终热处理和重要零件、模具的预备热处理。