قبل از ظهور متالوژي به عنوان يك علم، بسياري از عمليات مربوط به سخت كردن فولادها، افزايش قابليت شكل پذيري آنها و يا عمليات مشابه ديگر، در پرده اي از ابهام و اسرار نهفته بود. به بيان ديگر، تبديل يك قطعه آهن نرم و انعطاف پذير به يك ابزار و اسلحه فلزي مقاوم، سخت و برنده نظير شمشير، ويا چاقو، اساس و راز صنعتگران به حساب مي آمد و هيچگونه علم و دانشي براي روشن كردن چگونگي اين تغيير حالتها وجود نداشت. به عنوان مثال، براي مدتها تصور مي شد كه، كيفيت بسيار بالاي فولادهاي ساخته شده توسط صنعتگران شفليد در انگلستان، ناشي از خواص سحر آميز آب اين شهر است. در همين رابطه، گفته شده است كه زماني يك تاجر از ايالت يورك در انگلستان، مقادير بسيار زيادي از آب شهر شفليدر را به قيمت گزافي به ژاپن صادر نمود.

در گزارشها آمده است كه در زمان بسيار قديم، صنعتگران دمشق براي سخت كردن شمشيرهاي فولادي، آنها را ابتدا حرارت داده، كاملاً داغ كرده، و سپس در شكم برده هاي اسير شده فرو برده، به شدت حركت داده و مي چرخاندند. از جمله عوامل موثر در سخت شدن فولاد در اين روش وحشتناك عمليات حرارتي، مي تواند جذب نيتروژن خون باشد. در يادداشتهاي مربوط به تاريخچه عمليات حرارتي آمده است كه جيمز باوي سازندة اصلي چاقوي باوي در دوران غرب وحشي به منظور سخت كردن چاقوهاي خود آنها را پس از حرارت دادن و سرخ شدن، نه مرتبه پشت سر هم در روغن پلنگ فرو مي برده است.

گرچه از زمان باستان، عمليات حرارتي به عنوان يكي از مهمترين مراحل توليد ابزارهاي فولادي (به طور فلزي ) استفاده مي شده است، ولي ظهور آن به عنوان يك علم به اواسط قرن نوزدهم بر مي گردد. تا آن زمان، دانش بشر در زمينة عمليات حرارتي به مجموعه هايي از دستورالعملهاي به دست آمده از قرنهاي متوالي تجربه منحصر مي شود.

اين دستورالعملها كه اغلب  ارزش بسيار زيادي داشته، از پدر به پسر به ارث مي رسيد. در اين ميان، بسياري از اسرار گم شده و دو مرتبه كشف مي شد، ولي طبيعت و ماهيت واقعي عمليات حرارتي همچنان در پرده ابهام باقي بود.

در قرن نوزدهم، با پيشرفت سريع علم، عمليات حرارتي نيز به جرگه علوم پيوست، جهش اوليه و ناگهاني كه در اين زمينه به وقوع پيوست، ناشي از مطالعات انجام شده توسط ميكروسكوپ نوري داده شد، "تكنيك متالوگرافي" براي مشاهده و مطالعة ساختار فلزات و آلياژها ارائه شد. اين تكنيك كه شامل پوليش و حكاكي با محلول شيميايي مناسب و مشاهده ساختار سطح نمونه توسط ميكروسكوپ نوري است، هنوز هم يكي از مهمترين ابزارهاي دانشمندان متالوژي براي مطالعه و تعيين ميكروساختار فلزات و آلياژها محسوب مي شود.

پيشرفتهاي وسيع نظريه هاي عمليات حرارتي پس از سالهاي 1920، مديون دستگاه آناليزكننده با پرتو ايكس است. به كمك اين دستگاه مطالعات عميق در رابطه با طبيعت، مكانيزم و سينتيك دگرگونيهاي حالت جامد انجام شد. در مدت دو يا سه دهه، اطلاعات بسيار و جامعي در رابطه با قوانين اثرات حرارتي برروي ميكروساختار و خواص فلزات و آلياژها به دست آمد. در اواخر سالها ي 1950 ميكروسكوپهاي الكترونيكي از نوع عبوري براي مطالعة تغييرات ميكرو ساختار دروني در اثر عمليات حرارتي و سپس تكنيكهاي جديد به منظور آناليز در مقياس ميكروسكوپي نظير استفاده از ميكروسكوپهاي اوژه به طور وسيعي به كار گرفته شدند.

در مرحلة جديد مطالعات، اثرات و نقش معايب شبكه هاي بلوري در فلزات بر روي چگونگي تغييرات ميكروساختار در اثر عمليات حرارتي مختلف بررسي شد. اهميت اين امر با توجه به اين نكته مشخص مي شود كه، در بسياري از موارد، معا يب بلوري اثرات بسيار شديد و حتي در برخي موارد اثرات تعيين كننده اي بر روي مكانيزم تغييرات ساختار و در نتيجه تغييرات خواص در ضمن عمليات حرارتي دارند. ارايه نظريه هاي جديد، بسط و گسترش آنها، بهبود روشهاي عمليات حرارتي موجود و ارائه روشهاي نوين نظير عمليات حرارتي – شيميايي (ترموشيمي) و بالاخره به كارگيري روشهاي جديد نظير القاي يوني به منظور سخت كردن سطحي، موجب گسترش هر چه وسيعتر گسترة عمليات حرارتي در دهه اخير شده است.