Deux étapes mènent du minerai de fer au fer et à l’acier, les deux matières clé de l’époque industrielle : la fonte des minerais dans le haut fourneau donne du fer pur ; l’affinage de la fonte, c’est-à-dire la diminution de la teneur en carbone, donne ensuite du fer forgé ou de l’acier. Les deux étapes dépendent du combustible : le charbon de terre naturel n’est pas adapté à la fabrication du fer, parce que ses oligo-éléments, surtout le soufre, abîment le métal. C’est pourquoi on a longtemps utilisé le charbon de bois dans les fours de traitement et les feux de fonte ; or au début du 18e siècle, les ressources en bois de chauffage devenaient rares et chères. C’est alors que Abraham Darby, le  propriétaire d’une forge dans le comté carbonifère du Shropshire au centre de l’Angleterre, retourna au combustible qu’il connaissait déjà dans la malterie : il fit cokéfier la houille à l’abri de l’air. De cette manière, une grande partie des oligo-éléments dérangeants s’échappa. Avec le coke qui restait, Darby put traiter du fer dans le haut fourneau de Coalbrookdale à partir de 1709.

Un pas décisif avait été fait, mais plusieurs décennies passeront avant que le nouveau combustible ne s’impose : comme la consommation de coke était très importante, seule la production de masse dans de grands haut fourneaux valait la peine. Pour cela, les conditions techniques n’étaient pas encore réunies, et il manquait surtout des souffleries performantes.

Bientôt la houille révolutionnera aussi l’affinage. Cette deuxième étape dans la production du fer est nécessaire parce que la fonte sortie du haut fourneau contient encore beaucoup de carbone. On peut la couler, mais on ne peut pas la forger ou la laminer parce qu’elle est encore trop sèche. Dans le feu d’affinage, le carbone est brûlé à très haute température et on obtient un fer que l’on peut utiliser à des fins variées. La fonte ne doit cependant en aucun cas entrer en contact avec le coke qui contient toujours des éléments impurs. Benjamin Huntsman trouva la solution en 1740, à Sheffield : il versa la fonte dans des creusets fermés qui étaient chauffés dans un four à coke. Le résultat fut déjà considéré comme de l’acier – plus tard, on constatera que l’acier ne doit pas contenir plus de 1,6% de carbone. L’acier dur issu des creusets fut très demandé pendant plusieurs décennies comme matière première de haute teneur. C’est ainsi que se développa un centre de l’industrie du fer dans la région de Sheffield.

Henry Cort imagina un procédé alternatif en 1784 : il affina la fonte dans un four à moitié ouvert, où une paroi basse séparait la fonte du charbon incandescent. Seul l’air de combustion chaud était conduit par la fonte et la chauffait, tandis qu’un ouvrier la brassait avec une grande barre, de sorte à ce que son carbone s’évaporait. Le résultat du « puddlage » était un fer très résistant avec lequel on forgeait aussi bien des armes que des charrues. Sous la pression de lourds rouleaux, également inventés par Cort, le fer pouvait être transformé en tôle, en tuyaux et en rails de chemin de fer. Le fer prenait la place du bois, qui fut jusqu’ici la matière première universelle. Sur les gisements de charbon du Shropshire et du Staffordshire, dans le sud de l’Écosse et dans le pays de Galles les cheminées et les haut fourneaux des forges poussaient jusqu’au ciel. Au début du 19e siècle, la Grande Bretagne était devenue le plus grand producteur de fer au monde.

C’est surtout par crainte d’être distancé dans la production d’armes que le gouvernement français s’engagea dans la production de fer. Il débaucha des spécialistes britanniques et fonda la Fonderie royale du Creusot en Bourgogne dans les années 1780. Comme les verreries du Creusot ou le plan radioconcentrique de la saline d’Arc et Senans, l’installation conçue de façon symétrique reflétait la politique industrielle centralisée de l’État français.

Les autres régions d’Europe n’atteignirent le niveau de l’industrie britannique qu’au 19e siècle. Le bassin de fer belge de la Sambre et de la Meuse prit un essor formidable quand le premier haut fourneau fut mis en route en 1827 à Charleroi. Les débuts de l’industrie allemande du fer eurent lieu en Silésie et dans la Sarre ; à côté de cela on trouvait quelques usines isolées dans des régions avant tout agricoles, par exemple à Wetter dans la Ruhr, ou à Rasselstein près de Neuwied. Ce n’est donc qu’après l’union douanière de 1834 que l’économie allemande se mettra véritablement en mouvement. En quelques décennies, la Ruhr se transformera en un paysage industriel d’une grande densité avec des chevalements, des haut fourneaux et des cités ouvrières.

En 1828, l’Écossais James Beaumont Neilson trouva enfin la dernière amélioration décisive du haut fourneau de coke : en ajoutant de l’air chaud, la consommation de coke put être radicalement diminuée. Dans les années suivantes, la production explosa : en 1850, la production de fonte de la Grande Bretagne était dix fois plus haute qu’au début du siècle ; vers 1900, elle était multipliée par trente.

Dans ce « boom du fer », le progrès suivant ne se fit pas longtemps attendre : en 1856, Henry Bessemer, à nouveau un Britannique, inventa un récipient fermé en forme de poire, garni intérieurement d’un revêtement en silicium, pour l’affinage du fer. Quand on la remplissait de fonte et qu’on y insufflait de l’air, une réaction spectaculaire avait lieu dans la « poire Bessemer » : le silicium se consumait, chauffait la masse métallique en fusion et lui retirait presque la totalité de son carbone, sans apport extérieur de chaleur. « L’acier Bessemer », un acier de grande qualité, en fut le résultat ; on en fabriquera des canons, des rails de chemin de fer et des couteaux.

Presque au même moment, des concurrents sur le continent développèrent une nouvelle alternative au four d’affinage ouvert. Wilhelm Siemens récupéra les gaz d’échappement dans son « four à atmosphère régénérée » pour réchauffer l’air de combustion servant à chauffer la fonte. Ce système permettait de faire fondre le fer à des températures plus élevées que jamais, tout en économisant du combustible. Le Français Pierre Martin, le propriétaire d’établissements sidérurgiques, perfectionna ce procédé et le mit au point en 1864. Le four Martin-Siemens produisait des aciers d’excellente qualité, dont on avait besoin notamment pour la fabrication des tôles de bateau. Pendant de nombreuses décennies, il fut considéré comme le procédé optimum dans la production d’acier.

Cependant, le traitement des minerais de fer de moins bonne qualité qui contenaient du phosphore demeurait toujours problématique. En 1879, le chimiste Sidney Gilchrist Thomas trouva une solution : il fit habiller l’intérieur de la poire Bessemer avec un matériau basique qui neutralisait le phosphore. De cette manière, on pouvait utiliser les minerais de fer de Lorraine notamment, mais c’est surtout la région de la Ruhr qui profitera de cette invention. Avec des aciers de mauvaise qualité, on y produisait quantité de fils de fer, de tuyaux et d’acier de construction, voire même des rails de chemins de fer.

En 1879 également, Wilhelm Siemens réussit une nouvelle amélioration : le four électrique permettait d’atteindre sans problème des températures très hautes. L’énergie électrique était néanmoins plus onéreuse que le coke. C’est pourquoi, au début, on n’utilisa ce procédé que pour des aciers très résistants, alliés au chrome, au nickel ou au tungstène : une matière pour de grandes pièces mécaniques, des hélices, des pièces métalliques pour le blindage et des outils pour la construction mécanique. Les aciers au four électrique ne furent produits en grande quantité qu’à partir de la Première guerre mondiale. A cette époque, la Grande Bretagne, le berceau de l’industrialisation, fut devancée dans la production de l’acier par les USA et l’Allemagne.