根据被加工件的材料和形面的不同，常用的超精密加工工艺方法主要分三大类：切削加工法、磨削加工（含研、抛）法和电物理加工法。
切削加工法
切削加工法主要是采用优质的自然金刚石作刀具的切削刃，对有色金属、玻璃或陶瓷工件进行车削和铣削加工，可以加工端面、球面和抛物面等曲面
超精密车削加工中，金刚石刀具的刃磨是关键。刀尖的圆弧半径应为被加工表面要求值的五分之一左右，一般γc小于10nm，用铸铁研具进行研抛时，可获得γc=3~5nm。再小的γc值则要用离子束加工来获得。实践证实，采用这样的刀具，便于切削速度在很大（V=120~3600m/min）的范围内变化，而不影响被加工表面的粗糙度值。
常选的切削用量是：加工有色金属时V=120~4000m/min，加工玻璃或陶瓷时V=15~120m/min；根据刀尖圆弧末径γc值的不同，进给量可在0.1~10μm/r的范围内选取，切削深度则为t=0.05~0.1μm。
在用雾化酒精或温度可控的矿物润滑油冷却的情况下，高质量的单晶金刚石刀具的耐用度（用一次刃磨後切刃可以有效地进行切削的长度来衡量）可达1500km。
切削加工法所能达到的最高水平：面形精度为0.025μm、表面粗糙度为Ra=2~4nm。
磨削加工法
磨削加工法是采用精细磨粒的砂轮或砂带进行磨削和研、抛的加工。此法多用于硬度较高的玄色金属材料加工，也可用于玻璃及陶瓷等非金属材料的加工。它可以加工比用切削法加工更大的工件表面――平面、圆柱面、球面和非球面。
圆柱形镜面通常用磨削方法加工，磨削速度选V=25~35m/s，粗磨时t=0.02~0.07mm，精磨时t=3~10μm；当用油石研、抛时，V=10~50m/min，材料的往除速度为0.1μm~1μm/min。超精磨削可达到0.01μm的圆度和Ra 0.002μm的表面粗糙度。
电物理加工法
电物理加工的方法有多种，其中获得最广泛应用的是电磨料抛光和离子束表面加工。前者的实质是使电解加工过程中所产生并留下的氧化膜由磨料从被加工表面上往掉以获得镜面；後者则是借助离子发生器射出的离子束对表面进行研、抛。
离子束表面加工法如图3所示：经过预磨削加工的工件（2）被放置进真空度保持在1.33×10-3Pa的真空室（1）中，离子发生器（8）射出的离子束以高达30K电子伏的强度作用在被加工的表面上，并以1μm ~5μm/h的速率往除表层材料，从而达到10nm乃至更高的外形精度。
在工作过程中，离子发生器（8）射出的离子束打在工件上的强度和加工过程均由计算机（6）及程序软件（5）来实现，而根据激光干涉仪（9）对被加工表面外形的检测结果，借助驱动装置（12）来调节光栏（掩盖物）（11）改变离子束强度，通过控制器（7）控制离子发生器（8），通过驱装置（3）和（4）控制工件位置，并由传感器（10）来丈量和控制真空室（1）中的温度，使之保持恒定。
 除上述方法之外，还有其他的超精密复合加工方法，如电火花成形加工後继而采用的流体抛光法、电化学抛光法、超声化学抛光法、动力悬浮研磨法、磁流体研磨法以及采用ELID技术的磨削法等。采用ELID技术进行光学玻璃非球面透镜加工时面形精度可达0.2μm，表面粗糙度则达Ra=20nm。