根據被加工件的材料和形面的不同，常用的超精密加工工藝方法主要分三大類：切削加工法、磨削加工（含研、拋）法和電物理加工法。
切削加工法
切削加工法主要是采用優質的自然金剛石作刀具的切削刃，對有色金屬、玻璃或陶瓷工件進行車削和銑削加工，可以加工端面、球面和拋物面等曲面
超精密車削加工中，金剛石刀具的刃磨是關鍵。刀尖的圓弧半徑應為被加工表面要求值的五分之一左右，一般γc小于10nm，用鑄鐵研具進行研拋時，可獲得γc=3~5nm。再小的γc值則要用離子束加工來獲得。實踐證實，采用這樣的刀具，便于切削速度在很大（V=120~3600m/min）的范圍內變化，而不影響被加工表面的粗糙度值。
常選的切削用量是：加工有色金屬時V=120~4000m/min，加工玻璃或陶瓷時V=15~120m/min；根據刀尖圓弧末徑γc值的不同，進給量可在0.1~10μm/r的范圍內選取，切削深度則為t=0.05~0.1μm。
在用霧化酒精或溫度可控的礦物潤滑油冷卻的情況下，高質量的單晶金剛石刀具的耐用度（用一次刃磨後切刃可以有效地進行切削的長度來衡量）可達1500km。
切削加工法所能達到的最高水平：面形精度為0.025μm、表面粗糙度為Ra=2~4nm。
磨削加工法
磨削加工法是采用精細磨粒的砂輪或砂帶進行磨削和研、拋的加工。此法多用于硬度較高的玄色金屬材料加工，也可用于玻璃及陶瓷等非金屬材料的加工。它可以加工比用切削法加工更大的工件表面――平面、圓柱面、球面和非球面。
圓柱形鏡面通常用磨削方法加工，磨削速度選V=25~35m/s，粗磨時t=0.02~0.07mm，精磨時t=3~10μm；當用油石研、拋時，V=10~50m/min，材料的往除速度為0.1μm~1μm/min。超精磨削可達到0.01μm的圓度和Ra 0.002μm的表面粗糙度。
電物理加工法
電物理加工的方法有多種，其中獲得最廣泛應用的是電磨料拋光和離子束表面加工。前者的實質是使電解加工過程中所產生并留下的氧化膜由磨料從被加工表面上往掉以獲得鏡面；後者則是借助離子發生器射出的離子束對表面進行研、拋。
離子束表面加工法如圖3所示：經過預磨削加工的工件（2）被放置進真空度保持在1.33×10-3Pa的真空室（1）中，離子發生器（8）射出的離子束以高達30K電子伏的強度作用在被加工的表面上，并以1μm ~5μm/h的速率往除表層材料，從而達到10nm乃至更高的外形精度。
在工作過程中，離子發生器（8）射出的離子束打在工件上的強度和加工過程均由計算機（6）及程序軟件（5）來實現，而根據激光干涉儀（9）對被加工表面外形的檢測結果，借助驅動裝置（12）來調節光欄（掩蓋物）（11）改變離子束強度，通過控制器（7）控制離子發生器（8），通過驅裝置（3）和（4）控制工件位置，并由傳感器（10）來丈量和控制真空室（1）中的溫度，使之保持恒定。
除上述方法之外，還有其他的超精密復合加工方法，如電火花成形加工後繼而采用的流體拋光法、電化學拋光法、超聲化學拋光法、動力懸浮研磨法、磁流體研磨法以及采用ELID技術的磨削法等。采用ELID技術進行光學玻璃非球面透鏡加工時面形精度可達0.2μm，表面粗糙度則達Ra=20nm。