Kolstålets hållfasthet påverkas av många faktorer, varav vissa handlar om hur stålet är legerat och andra som handlar om vad som händer efter att stålet skapats. En av de viktigaste faktorerna som påverkar hållfastheten hos kolstål är mängden kol som tillsätts till järn innan stål tillverkas, eftersom kol tjänar både till att skapa och härda stål. Medan kolstål vanligtvis inte har mycket av några andra element som ingår i stållegeringen, kan dessa inneslutningar ändra styrkan, hårdheten och andra egenskaper hos stål. Efter att stålet har legerats kan det sedan utsättas för värme, vilket kan öka dess hållfasthet.
Kolstål är en typ av stål som i allmänhet innehåller en låg mängd kol, men det finns vissa kvaliteter som har mer kol än andra. En stor faktor för att bestämma hållfastheten hos kolstål är mängden kol i sig. Detta behövs för att tillverka stål i första hand, och det värms tillsammans med järn tills de två smälter och smälter samman i varandra. Kol är en härdare, så mer kol betyder starkare och hårdare stål. Även om anlöpning kommer att kunna stärka stålet mer efter att det tillverkats, dikterar kol ofta stålets totala hårdhet.
Inneslutningar är ovanliga i kolstål, till skillnad från vissa andra typer av stållegeringar, men även en liten mängd andra metaller har förmågan att ändra hållfastheten hos kolstål. Dessa metaller tillsätts när stålet legeras; annars måste stålet smältas ner senare för att dessa metaller ska kunna introduceras. De flesta metaller, som mangan, fosfor och nickel, tillsätts kolstål för att öka dess hållfasthet. Andra metaller, som bly och koppar, försvagar stål men kan hjälpa till att göra det lättare att bearbeta eller svetsa, vilket kan vara fördelaktigt.
Det mesta stålet värmebehandlas efter att det har legerats för att öka styrkan hos kolstål, även om stålet ibland används som det är. Det finns många olika metoder tillgängliga för härdning av stål, och var och en tjänar till att öka olika egenskaper. Stålet placeras vanligtvis i en ugn eller liknande område, där stålet värms upp tillräckligt för att det ska få en blå färg men inte tillräckligt för att smälta det. Efter att ha upprepat denna process flera gånger tenderar hållfastheten hos kolstål att öka dramatiskt.