Нормализация заключается в нагреве стали до температуры выше критических точек Ас₃ или Асm на 50–70 °С, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении на спокойном воздухе. При нормализации происходит полная фазовая перекристаллизация. Поскольку скорость охлаждения при нормализации выше, чем при отжиге, распад аустенита происходит при более низких температурах, что повышает дисперсность феррито-цементитных структур. В процессе ускоренного охлаждения в доэвтектоидных сталях частично подавляется выделение феррита, а в заэвтектоидных – цементита. Поэтому при нормализации увеличивается количество квазиэвтектоида типа сорбита и троостита. Вследствие образования перлита более тонкого строения сталь приобретает повышенные значения прочности, твёрдости и ударной вязкости и более низкую пластичность по сравнению
с отожжённой.

Для низкоуглеродистых сталей нормализация как более простой вид обработки применяется чаще, чем полный отжиг. При этом достигается повышение производительности при обработке деталей резанием, а также более высокая чистота их поверхности. В случае среднеуглеродистых сталей к нормализации прибегают вместо закалки и высокого отпуска, что упрощает технологию обработки и вызывает меньшую деформацию изделий. Высокоуглеродистые (заэвтектоидные)и легированные стали подвергают нормализации с целью устранения цементитной сетки вторичного цементита, возникающей при медленном охлаждении. В результате нормализации во всех сталях снимаются напряжения.

Близка к нормализации так называемая одинарная термическая обработка. Отличие указанного вида термической обработки состоит в том, что охлаждение осуществляют струей воздуха. При этом достигается более высокая твёрдость, чем при нормализации, что позволяет в ряде случаев избежать закалки и последующего отпуска. Образующиеся структуры – сорбит или троостит.