La metallurgia è la disciplina tecnica che riguarda essenzialmente lo studio dei metalli del loro comportamento e dei procedimenti tecnici relativi al loro ottenimento e lavorazione. In particolare, essa si occupa dell'insieme delle tecniche impiegate per l’estrazione, il trattamento e la lavorazione dei metalli.

I metalli possono essere utilizzati allo stato puro oppure più solitamente in lega. Una lega è una combinazione, sia in soluzione o in composto, di due o di più elementi, di cui almeno uno è un metallo e dove il materiale risultante ha proprietà metalliche differenti da quelle dei relativi componenti. Diremo quindi che una lega con due componenti è una lega binaria, una con tre è una lega ternaria ed una con quattro è una lega quaternaria, etc... Le leghe sono ideate solitamente per avere proprietà meccaniche e/o fisiche più desiderabili di quelle dei loro componenti. Per esempio l'acciaio ha una resistenza meccanica maggiore del ferro, il suo componente principale, e l'ottone è più duro del rame e più attraente dello zinco.

Diversamente dai metalli puri, molte leghe non hanno un singolo punto di fusione ma attraversano un intervallo di fusione in cui il materiale è una miscela di fase solida e liquida. La temperatura in cui comincia la fusione è denominata solidus e quella in cui la fusione è completa è denominata liquidus. Le leghe speciali possono tuttavia essere progettate con un singolo punto di fusione: queste sono definite più propriamente leghe eutettiche.

Commercialmente, spesso una lega è designata con il nome del metallo più importante: l'oro a 18 carati è ad esempio una lega di oro con altri elementi; lo stesso accade per l'argento usato in gioielleria (es.: argento 925) e per l'alluminio usato nelle strutture. In una lega si possono avere situazioni diverse in base alle azioni mutue fra gli atomi:

• soluzione solida disordinata: si ha quano gli atomi diversi si attraggono con forze simili a quelle tra atomi uguali, con conseguente distribuzione atomica omogenea e casuale;
• soluzione solida ordinata: si ha quando gli atomi diversi, tutti metallici, si attraggono con forze diverse;
• composto intermetallico: si ha se atomi diversi hanno elettronegatività marcatamente differente e la struttura acquista quindi alcune caratteristiche proprie di un composto chimico; nel caso limite in cui un componente sia così elettronegativo da realizzare un composto ionico (per esempio nel caso di elementi non metallici come S, O₂, Cl₂), si ha un composto chimico e non una lega;
• lega eutettica: si ha se atomi diversi si attraggono molto meno che atomi uguali e quindi nascono alternanze di cristalli dell'una e dell'altra composizione, in quanto non esiste solubilità allo stato solido.

La metallurgia, praticata fin dall’antichità, si è evoluta nel corso del tempo fino a divenire propriamente una scienza che studia le relazioni tra la struttura interna e le proprietà di metalli e di leghe metalliche, al fine di ottimizzare le proprietà dei metalli e delle loro leghe.

Il progresso tecnologico ha poi mirato anche al miglioramento delle tecniche di estrazione e lavorazione (esempio: metallo pressofuso e metallurgia delle polveri), rendendole più efficienti e meno onerose, sia in termini di tempo che di costo energetico.

Un'altra frontiera nel campo della metallurgia è rappresentata dai trattamenti termici e termo/chimici dei metalli e/o leghe, volti all'incremento delle prestazioni tribologiche, di resistenza e resilienza dei metalli e/o leghe (ad esempio tempra, nitrurazione, carbonitrurazione, etc...).