其实质是使钢中各元素的原子在奥氏体中进行充分扩散。钢的扩散退火加热温度一般在Ac₃或Ac_cm以上150～300℃，根据钢种和偏析程度而定。钢中合金元素含量越高，偏析程度越严重，相应的扩散退火加热温度也越高。但一般要低于固相线100℃左右，以防止过烧导致晶界氧化或熔化。合金钢的扩散退火温度常在1200～1300℃，碳钢常在1050～1100℃进行，保温时间通常为10～20小时，然后随炉缓冷。

钢件经扩散退火后，奥氏体晶粒粗大，必须经过一次完全退火或正火来细化晶粒，并消除过热缺陷。扩散退火生产周期长，能量损耗大，设备寿命短，生产成本高，工件烧损严重，因此，只有一些优质合金钢、合金工模具钢以及偏析较严重的合金钢铸件才使用这种工艺。