为克服碳钢性能上的不足，人们通过在优质碳素钢基础上加入锰、镍、铬、钨、钼、铌、钒、钛、硼等合金元素来改善碳钢的性能，从而形成了合金钢。
1.低合金结构钢
低合金结构钢是在低碳的碳素结构钢基础上，加入少量合金元素（总量小于3％）而发展起来的。这类钢的强度比前述碳素结构钢高20％～30％以上，并有较好的塑性、韧性、焊接性，常热轧成钢板及各种型材，一般不需热处理而直接用于制造桥梁、船舶、车辆、容器及建筑结构件等。在相同承载下，可节约钢材20％以上，可减轻结构件自重，提高使用可靠性。例如，武汉长江大桥采用Q235钢制造，其主跨度128米；南京长江大桥采用Q345（16Mn）钢，其主跨度为160米；而九江长江大桥采用Q420（15MnVN）钢，其主跨度长达216米。
2.合金工具钢
用于制造各种刃具、模具、量具等工具的合金钢称为合金工具钢。它是在前述碳素工具钢的基础上加入Cr、W、Mo、V、Mn、si 等合金元素而制得，以提高钢的强硬度、耐磨性、淬透性及热硬性，可用于高温下承受摩擦磨损的模具及切削刃具，如9SiCr、CrWMn、9Mn2V、Cr12MoV 等。而对于工作温度高、承受一定冲击的铸模、热锻模，则可用3Cr2W8V、5CrNiMo、4Cr5MoSiV、8Cr3等。
特别是含W、Mo、Cr、V 等强碳化物形成元素较多的W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2这类高合金工具钢，在600～800℃下仍有很高硬度和耐磨性，常用于高速切削的麻花钻、车刀、铣刀及耐热模具的制造，削铁如泥，故又称“高速钢”。
此外，还有用于机器零件的属于低碳钢的合金渗碳钢（如20CrMnTi 等，主要用于汽车齿轮），属于中碳钢的合金调质钢（如45MnB 等，主要用于承受冲击的轴或齿轮），属于中高碳钢的合金弹簧钢（如60Si2Mn等，主要用于汽车弹簧），属于高碳钢的滚动轴承钢（如GCr15）以及其他具有特殊性能的合金钢。由于合金元素的加入，使性能都有所提高。
