Zgodnie z definicją Amerykańskiego Instytutu Żelaza i Stali, każda stal jest uważana za stal węglowa, gdy nie ma określonej minimalnej zawartości dla jakiegokolwiek innego pierwiastka stopowego innego niż węgiel. Stal węglowa zawiera od 0,05 do 3 procent węgla i śladowe ilości innych pierwiastków, takich jak mangan. Stal niskowęglowa zawiera maksymalną zawartość węgla 0,35 procent; średnio-węglowa stal, maksymalnie 0,6%; i stali wysokowęglowej, do 2,5 procent.
Gdy węgiel jest obecny jako pierwiastek stopowy, powoduje, że stal staje się twardsza i bardziej krucha podczas hartowania. Wpływa to na intensyfikację, gdy zawartość węgla w stali staje się większa. Ze względu na ich kruchość po hartowaniu, stale wysokowęglowe należy poddać obróbce cieplnej w celu uzyskania równowagi między twardością a wytrzymałością. Większa zawartość węgla powoduje również, że stal ma zmniejszoną ciągliwość i spawalność.
Pomimo negatywnych skutków, jakie węgiel może mieć na stal, stale węglowe odpowiadają za około 90 procent wszystkich wyprodukowanych stali. Stale średniowęglowe są często stosowane w aplikacjach wymagających równowagi między wytrzymałością, ciągliwością i odpornością na zużycie, takich jak części samochodowe. Stale wysokowęglowe są stosowane w aplikacjach wymagających wysokiej wytrzymałości, takich jak okablowanie i sprężyny o wysokiej wytrzymałości. Stal o ultra wysokiej zawartości węgla, klasyfikacja dla stali zawierającej od 2,5 do 3 procent węgla, jest używana wyłącznie do zastosowań wymagających bardzo wysokiego poziomu twardości, takich jak stemple i osie.
