Das Carbonitrieren besteht aus der gleichzeitigen Diffusion von Kohlenstoff und Stickstoff bei hoher Temperatur (aber niedriger als beim Aufkohlen) über AC1. Bei diesem Prozess ist der Kohlenstoffgehalt der Schicht größer als der Stickstoffgehalt. Das Ergebnis ist ein Martensit mit hohen Härtewerten und guter Verschleißfestigkeit. Nach dem Carbonitrieren muss man das Härten und Anlassen durchführen. Dieses Verfahren führt zu besseren mechanischen Eigenschaften, geringeren Verformungen als beim Aufkohlen. Das einzige Problem ist, dass aufgrund des Stickstoffs keine Schichten erhalten werden können, die größer als 0,8 mm sind (Stickstoff in größeren Schichten sorgt für Porosität). Beim Karbonitrieren wird eine geregelte Atmosphäre wie Endogas + Erdgas + Ammoniak, Endogas + Propan + Ammoniak, Stickstoff + Propan + Ammoniak benötigt.
Der Prozess kann stattfinden in: