Tamahagane được tinh luyện từ cát đen giàu sắt trong các lò luyện thép truyền thống có tên tatara. Việc luyện thép mất khoảng ba ngày ba đêm. Hàm lược cacbon trong thép chỉ khoảng 1- 1,5% với các thành phần tạp chất cực kỳ thấp, có thể xem đây là một trong các loại tinh khiết nhất của vật liệu thép. Thường thì tinh luyện sẽ dùng 10 tấn cát 12 tấn than cho sẽ cho ra 2,5 tấn kim loại gọi Kera (ケラ) chứa các vật liệu dùng làm kiếm, khối này sau đó sẽ được đập ra và thu được một lượng lớn gang, chưa tới một tấn tạo thành tamahagane ở nơi chứa cacbon vừa đủ phần dưới cùng là loại thép hocho-tetsu (包丁鉄) chỉ chứa từ 0,1 đến 0,3% cacbon (thường dùng làm lõi kiếm).

Thú vị là khi so với các loại thép hiện tại thì loại thép này chứa một lượng khá lớn các phân tử oxy (O) trong nó tạo ra nhiều vùng bị oxy hóa trong thép, về lý thuyết thì điều này không tốt với các loại thép khác nhưng trên thực tế với cách rèn truyền thống của Nhật là rèn thành nhiều lớp thì các phần oxy hóa này vốn rất mềm nếu so với các loại thép khác cho phép thép có thể kéo giãn ra sau đó gấp lại và gấp lại nhiều lần giúp công cụ có một cấu trúc nhiều lớp lồng vào nhau độc đáo làm tăng độ cứng cường lực của công cụ và giữ độ bén của kiếm. Nhưng sau mỗi lần gấp, nung và rèn tạp chất sẽ bị đẩy ra ngoài khiến cho nó ngày càng cứng để có thể gấp tiếp những lần sau việc này làm vật dụng có thêm hiệu ứng chống gỉ một cách tự nhiên và sáng bóng cũng như tùy vào cách rèn mà các vân kim loại sẽ khác nhau.