激光加熱表面淬火是以高能量激光束掃描工件表面，使工件表面快速加熱到鋼的臨界點以上，利用工件基體的熱傳導實現自冷淬火，實現表面相變硬化。
激光加熱表面淬火加熱速度極度快（105～106℃／s），因此過熱度大，相變驅動力大，奧氏體形核數目劇增，擴散均勻化來不及進行，奧氏體內碳及合金濃度不均勻性增大，奧氏體中碳含量相似的微觀區域變小，隨後的快冷（104℃／s）中不同微觀區域內馬氏體形成溫度有很大差異，產生細小馬氏體組織。由於快速加熱，珠光體組織通過無擴散轉化為奧氏體組織；由於快速冷卻，奧氏體組織通過無擴散轉化為馬氏體組織，同時殘餘奧氏體量增加，碳來不及擴散，使過冷奧氏體碳含量增加，馬氏體中碳含量增加，硬度提高。
激光加熱表面淬火后，工件表層獲得極細小的板條馬氏體和孿晶馬氏體的混合組織，且位錯密度極高，表層硬度比淬火＋低溫回火提高20％，即使是低碳鋼也能提高一定的硬度。
激光淬火硬化層深度一般為0.3～1mm，硬化層硬度值一致。隨零件正常相對接觸摩擦運動，表面雖然被磨去，但新的相對運動接觸面的硬度值並未下降，耐磨性仍然很好，因而不會發生常規表面淬火層由於接觸磨損，磨損隨之加劇的現象，耐磨性提高了50％，工件使用壽命提高了幾倍甚至十幾倍。
激光加熱表面淬火最佳的原始組織是調質組織，淬火后零件變形極小，表面質量很高，特別適用於拐角、溝槽、盲孔底部及深孔內壁的熱處理，而這些部位是其它表面淬火方法極難做到的。
