Isıl işlemde kullanılan başlıca malzemeler şunlardır: Çelikler: Karbon çeliği, alaşımlı çelik ve paslanmaz çelik gibi çeşitli çelik türleri. Alüminyum alaşımları: Mukavemet, süneklik ve korozyon direncini artırmak için ısıl işleme tabi tutulur. Bakır alaşımları: Pirinç ve bronz gibi bakır alaşımları, mekanik özelliklerini geliştirmek amacıyla ısıl işlemden geçer. Titanyum alaşımları: Havacılık ve uzay ile tıbbi implantlarda yaygın olarak kullanılır. Nikel alaşımları: Gaz türbinleri, kimyasal işlemler ve nükleer reaktörlerdeki uygulamalar için sıklıkla ısıl işleme tabi tutulur. Ayrıca, cam, seramik ve bazı plastik türleri de ısıl işlem için kullanılan malzemeler arasında yer alır.