高温回火后获得具有较高综合力学性能（较高的强度、塑性和韧性）的回火索氏体，它的组织细致、均匀，是由渗碳体和α固溶体（铁素体）组成，其中渗碳体全部为球粒状，而且较粗，在光学显微镜下即可看到。回火索氏体中的渗碳体为粒状，受力时它可以阻碍位错运动，因此其塑性变形抗力也较大。

高温回火的目的主要是在保持一定强度、硬度及耐磨性的情况下大幅度提高塑性及韧性，清除某些可能形成微裂纹的应力区，防止它们产生微裂纹。

淬透性较大或截面较小的工件，正火后硬度可能偏高而塑性偏低，也需进行高温回火加以改善。大锻件在淬火或正火后，常以高温回火去除内应力并改善组织和性能。当碳钢中含P、Sn、As等元素，或合金结构钢中含有Cr、Mn、Ni等元素时，高温回火易出现较严重的第二类回火脆性，应在回火后采用快速冷却（水或油）以避免。第二类回火脆性敏感性较小的钢种（含有适量的钼），高温回火后可以缓慢（空）冷却。

高温回火多用于在受冲击、交变载荷下工作的零件，用于制作各种重要的结构件。广泛应用于汽车、拖拉机、机床的零件，如半轴、连杆、螺栓、曲轴、主轴和凸轮轴等轴类零件和各种齿轮等的热处理过程中。另外，也可以调质（淬火＋高温回火）为预备热处理，为工件表面淬火、渗氮、碳氮共渗等作组织上的准备。