Theo định nghĩa của Viện Sắt và Thép Hoa Kỳ, bất kỳ loại thép nào được coi là thép cacbon khi không có hàm lượng tối thiểu cụ thể cho bất kỳ nguyên tố hợp kim nào khác ngoài cacbon. Thép cacbon chứa hàm lượng cacbon từ 0,05 đến 3 phần trăm, và một lượng nhỏ của các nguyên tố khác, chẳng hạn như mangan. Thép cacbon thấp chứa hàm lượng cacbon tối đa là 0,35 phần trăm; thép cacbon trung bình, tối đa 0,6%; và thép cacbon cao, lên đến 2,5%.
Khi hiện diện như một nguyên tố hợp kim, cacbon làm cho thép trở nên cứng hơn và giòn hơn khi nó được làm nguội. Những ảnh hưởng này ngày càng gia tăng khi hàm lượng carbon trong thép trở nên lớn hơn. Do tính chất giòn của chúng sau quá trình làm nguội, thép cacbon cao hơn phải được xử lý nhiệt để đạt được sự cân bằng giữa độ cứng và độ bền. Hàm lượng cacbon cao hơn cũng khiến thép giảm độ dẻo và khả năng hàn.
Bất chấp những tác động bất lợi mà cacbon có thể gây ra đối với thép, thép cacbon chiếm khoảng 90% tất cả các loại thép được sản xuất. Thép cacbon trung bình thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo và khả năng chống mài mòn, chẳng hạn như các bộ phận ô tô. Thép cacbon cao được sử dụng cho các ứng dụng đòi hỏi độ bền cao, chẳng hạn như hệ thống dây điện và lò xo có độ bền cao. Thép cacbon siêu cao, một phân loại được chỉ định cho thép có chứa từ 2,5 đến 3% cacbon, chỉ được sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu độ cứng rất cao, chẳng hạn như đột và trục.
