Consiste na introdução de carbono e nitrogênio na superfície do aço a partir de uma mistura gasosa apropriada. Com isso, é possível alcançar elevada dureza superficial, depois que o metal estiver convenientemente temperado.

O processo de carbonitretação é um misto de cementação a gás e nitretação a gás, e por isso é realizado em temperaturas intermediárias entre estes dois processos (700 a 900 ºC).