Vid värmebehandling med laser uppvärms materialet lokalt till temperaturer som ligger under dess smältpunkt. Godstjockleken bestämmer huruvida endast ytområdet, eller som vid fallet med tunnplåt, hela tvärsnittsytan skall värmas. I motsats till värmebehandling i ugn är det vid laserhärdning alltid fråga om korta processtider med cykeltider på ett fåtal sekunder. Uppvärmningshastighet, maximal temperatur och avkylningshastighet kan programmeras individuellt och övervakas via temperaturkontroll.

Vid laserhärdning av en komponent tillverkad i härdbart stål eller gjutjärn austenitiseras materialet nära ytan under en kort period. Den tillförda värmen fortplantar sig in i materialet varigenom ytan kyls ned. Som ett resultat av denna härdningsprocess omvandlas austeniten till martensit. Den här transformeringen kan anpassas på djupet upp till cirka 1 mm. Bildandet av martensit är sammankopplat med en ökad hårdhet, vilket i sin tur förbättrar komponentens slitstyrka. Mikrostrukturen hos resten av materialet förblir opåverkad, vilket gör att t.ex. slagseghet och nötningsbeständighet kan kombineras för att ge komponenten optimala egenskaper. De tryckspänningar som byggs in vid bildandet av martensitiska strukturer kan också användas till att förbättra utmattningsegenskaperna hos komponenter som är utsatta för cyklisk belastning.

Men värmebehandling med laser kan också användas för att uppnå motsatta effekter, d.v.s. lokal mjukgörning av exempelvis höghållfasta stål. Dessa typer av stål uppvisar en komplex mikrostruktur som består av martensit, austenit, perlit, ferrit och karbider. Andelen martensit är det som huvudsakligen bestämmer materialets hållfasthet. Mjukgörningsmekanismen baseras på härdning eller partiell austenitisering med efterföljande transformering till ferrit-perlit. Mjukgörningen kan användas för att påverka formningsegenskaperna hos stålen. Dessa höghållfasta stål används, p.g.a. sina överlägsna mekaniska egenskaper, i ökande omfattning i bilindustrin vid tillverkning av karosser och chassikomponenter. Normalt kallformas dessa stål med de hållfasthetsegenskaper de har då de levereras. De höga hållfasthetsnivåerna begränsar emellertid hur de kan formas utan att sprickor uppstår i kraftigt deformerade områden. Därför kan vissa komponentgeometrier inte tillverkas i höghållfasta stål, men med hjälp av lokal mjukgörning med laserbestrålning ökar formbarheten och uppkomsten av sprickor kan elimineras.

Att bestråla ett objekt med laser kan också användas som en mjukglödgningsprocess vid exemplevis avspänningsglödgning av komponenter och verktyg som reparerats med laserpåläggning. Här uppstår normalt höga restspänningar i de områden som belagts, vilket kan leda till tidiga haverier p.g.a. varierande utmattningsbelastning. Risken för detta kan motverkas med lokal värmebehandling där kryp- och diffussionsprocesser reducerar inre spänningar i materialen. Mjukglödgning kan även användas för att ändra de elektromagnetiska egenskaperna. Kornstrukturen hos elektrostål kan förfinas genom värmebehandling med laser, vilket gör att hysteresförluster i exempelvis transformatorer kan reduceras.