Peleburan timbal menggunakan panas dan reaksi kimia untuk membebaskan timbal dari senyawa yang terikat dalam bijih timah. Mineral galena — timbal sulfida (PbS) — adalah salah satu bijih utama yang digunakan dalam proses peleburan. Pertama, timbal dioksidasi, melepaskannya dari belerang dan mengikatnya ke oksigen, membentuk timbal oksida (PbO). Kemudian, oksigen ditarik dari timbal dalam suhu tinggi, mengurangi lingkungan. Hal ini dilakukan dengan adanya karbon sehingga oksigen bergabung dengan karbon, meninggalkan timah cair murni sebagai produk akhir.
Bukti arkeologis tentang peleburan timah sudah ada sejak 8,000 tahun yang lalu. Peleburan paling awal yang diketahui terjadi di tempat yang sekarang disebut Turki. Pipa timah telah ditemukan di situs arkeologi di Mesopotamia, Persia kuno dan Mesir. Bangsa Romawi menggunakan timah secara ekstensif untuk pipa ledeng. Perapian dan tungku peleburan timah primitif digunakan untuk mengekstrak timah dari galena dan dikembangkan di banyak wilayah di dunia di mana bijih itu ditemukan.
Peleburan kuno dilakukan dengan menggunakan banyak bijih timah dan arang di perapian luar ruangan dan tungku. Bijih bermutu tinggi seperti galena harus digunakan untuk memperoleh timbal dalam jumlah yang cukup. Timbal cair dan murni mengalir dari peleburan, membentuk lempengan timah mentah untuk digunakan nanti. Proses ini digunakan selama ribuan tahun dan dimungkinkan karena suhu yang relatif rendah yang dibutuhkan untuk peleburan timah. Lokasi peleburan primitif masih menjadi sumber pencemaran timbal, karena tidak ada upaya yang dilakukan untuk melindungi tanah dari kontaminasi.
Metode peleburan modern menggunakan lingkungan yang terkendali untuk memaksimalkan perolehan timbal dan meminimalkan polusi. Peleburan timah dilakukan dengan menggunakan tanur sembur dan tanur putar atau kombinasi keduanya. Bijih timah dicampur dengan kokas, batu kapur, dan bahan lainnya dan direduksi di tungku. Timbal cair berat tenggelam ke dasar tungku, sementara zat lain membentuk lapisan yang lebih ringan di atas timah. Sebagian besar polusi dan limbah dikendalikan, karena banyak produk sampingan dari peleburan timbal ditangkap untuk pemulihan dan penggunaan di kemudian hari.
Pemulihan timbal dari produk daur ulang dilakukan dengan menggunakan peleburan timbal sekunder. Pipa tua, baterai dan bahan lain yang mengandung timbal digunakan sebagai pengganti bijih timah. Proses pemulihan dari bahan daur ulang mirip dengan peleburan timbal dari bijih. Panas dan senyawa yang mengandung karbon seperti kokas atau arang digunakan dalam reduksi oksida timbal. Sulfur dan produk limbah lainnya ditangkap dengan menggunakan kapur, soda ash atau bahan serupa.