Nach der Definition des American Iron and Steel Institute gilt jeder Stahl als Kohlenstoffstahl, wenn es keinen festgelegten Mindestgehalt für ein anderes Legierungselement als Kohlenstoff gibt. Kohlenstoffstähle enthalten einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,05 und 3 Prozent und Spuren anderer Elemente wie Mangan. Kohlenstoffarmer Stahl enthält einen maximalen Kohlenstoffgehalt von 0,35 Prozent; Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, maximal 0,6 Prozent; und kohlenstoffreiche Stähle bis zu 2,5 Prozent.
Wenn Kohlenstoff als Legierungselement vorhanden ist, wird Stahl beim Abschrecken härter und spröder. Diese Effekte verstärken sich mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt im Stahl. Aufgrund ihrer Sprödigkeit nach dem Abschrecken müssen Stähle mit höherem Kohlenstoffgehalt wärmebehandelt werden, um ein Gleichgewicht zwischen Härte und Festigkeit zu erreichen. Höhere Kohlenstoffgehalte führen auch dazu, dass Stahl eine verringerte Duktilität und Schweißbarkeit aufweist.
Trotz der negativen Auswirkungen, die Kohlenstoff auf Stahl haben kann, machen Kohlenstoffstähle etwa 90 % aller produzierten Stähle aus. Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt werden häufig in Anwendungen verwendet, die ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Duktilität und Verschleißfestigkeit erfordern, wie beispielsweise bei Automobilteilen. Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt werden für Anwendungen verwendet, die ein hohes Maß an Festigkeit erfordern, wie z. B. hochfeste Drähte und Federn. Ultrahochkohlenstoffhaltige Stähle, eine Klassifizierung für Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 2,5 und 3 Prozent, werden ausschließlich für Anwendungen verwendet, die eine sehr hohe Härte erfordern, wie zum Beispiel Stempel und Achsen.
