铜，作为人类历史上最早使用的金属之一，其冶炼技术的发展对金属工艺学的进步起到了至关重要的作用。在铁的发现之前，铜的冶炼技术几乎涵盖了冶金学的所有重要阶段。
天然铜以其独特的形态遍布全球，主要呈现为颗粒状、小块或偶尔大块的形式。这些铜矿石通常带有紫绿色或墨绿色的外表，经过简单的刮擦，便能显露出铜的核心。天然铜的加工难度较大，尤其是那些以大块形式存在的矿石。然而，薄片和树枝状的天然铜相对容易加工，这为早期的铜器制作提供了便利。
在自然界中，含铜矿物有200多种，常见的铜矿物可分为自然铜、硫化矿和氧化矿三种类型。自然铜在自然界中很少，主要是硫化矿和氧化矿。硫化矿分布最广，是主要的炼铜原料。铜的硫化矿中分布依次为黄铜矿、斑铜矿、辉铜矿。自然铜的主要成分是Cu，原生自然铜成分中有时含银和金等。铜的晶体结构属等轴晶系，晶体呈立方体，但少见；一般呈树枝状、片状或致密块状集合体。铜红色，表面易氧化成褐黑色。条痕呈光亮的铜红色。
自然铜常见于含铜硫化物矿床氧化带内，一般是铜的硫化物转变为氧化物时的产物。热液成因的原生自然铜常成浸染状见于一些热液矿床中，含铜砂岩中亦常有自然铜产出。自然铜在自然界存在产量十分稀少，主要分布于美国密执安州的苏必利尔湖南岸（1857年这里发现重达420吨的自然铜块）、俄罗斯的图林斯克和意大利的蒙特卡蒂尼等。在中国的湖北、云南、甘肃、长江中下游等地铜矿床氧化带等地区，也有自然铜的存在。
退火技术的发现对铜的加工具有革命性的影响。退火是一种将铜加热至一定温度后缓慢冷却的过程，它能有效消除冷加工过程中产生的脆性，从而使得硬度较高的矿瘤块得以利用，进而生产出更大的物件。这一技术的应用，显著提高了铜材料的延展性和可塑性，为制造更大、更复杂的铜器提供了可能。
在古代近东地区，随着天然铜资源的迅速枯竭，采矿者开始转向铜矿石。铜矿石分为一级(含氧)铜矿和二级(含硫)铜矿。
一级铜矿，也称为氧化铜矿，主要包括赤铜矿、孔雀石和蓝铜矿。这些矿物易于还原，是古代冶铜的重要原料。赤铜矿，含铜量高达88.8%，主要见于铜矿床氧化带，是含铜硫化物氧化后的产物，大量聚积时可作为铜矿石利用。孔雀石，颜色似蓝孔雀羽毛的颜色，含铜品位可达10-20%或更高，是早期人类文明最先接触使用的铜矿石。蓝铜矿，作为氧化铜矿的一种，也常见于铜矿床氧化带中。
二级铜矿，主要为硫化铜矿，包括辉铜矿和黄铜矿。辉铜矿的含铜量最高，达到79.86%，是提炼铜的重要矿物原料。辉铜矿在地表易风化成赤铜矿或孔雀石、蓝铜矿。黄铜矿，含铜量不到35%，但分布广泛，也是重要的炼铜矿物。这些硫化矿通常存在于较深的地层中，需要更复杂的冶炼技术来提取铜。
一级铜矿石由于其氧化性质，相对容易还原。例如，赤铜矿可以通过简单的还原反应提取铜。而二级铜矿石，尤其是硫化矿，需要更复杂的冶炼过程。例如，辉铜矿需要通过焙烧、熔化和鼓风氧化三个步骤来提炼铜。
铜矿石的分布与地层密切相关。一级铜矿石主要分布在氧化带，而二级铜矿石则通常存在于较深的地层中。例如，斑岩型铜矿床产于中生代、新生代花岗闪长斑岩等及其围岩中。夕卡岩型铜矿床产于中酸性侵入岩体和碳酸盐岩的接触带内外。
远古时代最重要的铜矿产地遍布西奈、叙利亚、俾路支和阿富汗、高加索和外高加索、托罗斯地区、塞浦路斯、马其顿、伊比利亚和中欧等地。
在古代，冶铜技术的发展与高温技术紧密相关。最早的冶铜活动可以追溯到公元前4500年左右，当时人们会挖掘出一个坑，在底层铺上木炭等燃料，再在其上铺上铜矿，便形成了原始的碗式炉。这种原始的冶炼方式，通过鼓风将炉中的温度提升至1084℃，使得铜矿中的铜元素融化脱离矿石，凝结成颗粒，从而实现铜的提取。
坩埚在冶铜过程中起到了至关重要的作用。最初的坩埚可能由泥土制成，中空的土球风干后放入铜矿石粉，然后投入火中烧炼，倒出熔化的铜水，这可以视为最早的坩埚形式。随着技术的发展，人们开始使用一整套熔炼工具，如坩埚和风箱以及风管组合使用，提高了熔炼金属的效率。在明朝的《天工开物·五金》中，有“高炉火中，坩埚足炼”的描述，这可能是最早有记载出现坩埚的文献。
随着时间的推移，冶铜技术不断进步，炉子也逐渐变大。在郑州二里头文化（夏）和安阳殷墟（商）都有发现类似的坩埚，称为“大囗尊”或“将军盔”，这种坩埚最初由红陶或黑陶烧制，后演变成由铜质的容器为胎，外部敷上草拌泥，将铜矿石和木炭放入其中，点燃并鼓风，就可以进行冶炼。这种坩埚或大或小，高30厘米左右，直径30厘米至80厘米不等，一次约能熔铜10公斤左右。
（二里头大囗尊）
为了提高冶炼效率，燃料和矿石开始分层堆放。这种技术使得炉子可以连续加料，间断出铜液和铜渣，生产效率大大提高。金门的设计使得竖炉得以区分坩埚，它可以连续加料，间断出铜液和铜渣，因为铜渣的密度比铜液小。从金门排出后，铜液注入陶瓷模具，铸成形状相对统一的圆形铜锭，这样便于验收和运送。
这些技术的发展不仅促进了铜的大规模生产，也为铁器时代的到来提供了技术基础。据估计，仅从铜绿山炼制的红铜就有四万吨左右，显示了古代中国金属冶炼技术的超前性。
古代冶金学家首先进行焙烧，这是将硫化物矿石加热至一定温度，使矿石中的硫化物转化为氧化物，并释放出硫。例如，黄铜矿在焙烧过程中会转化为Cu2S和FeS，并释放SO2。这一步骤是铜提炼过程中去除硫的关键环节，同时也为后续的还原反应做准备。
焙烧后的矿石被转移到炼炉中，并加入木炭。木炭在此过程中起到还原剂的作用，它与矿石中的氧化物反应，将铜从矿石中还原出来。木炭的加入量和质量对提炼过程至关重要，因为它们直接影响到铜的还原效率和纯度。
在冶炼过程中，古代冶金学家使用风箱向炼炉内鼓风，以提供足够的氧气使木炭充分燃烧，并创造一个还原环境。这种连续的鼓风过程有助于提高炉内温度，促进铜的还原反应。
尽管古代的提炼技术效率不高，但这些连续的步骤使得从硫化物矿中提炼出铜成为可能，这一过程虽然原始，但已经能够实现铜的初步提炼。
最早期的铜器很少被发现，这可能是因为破损的工具都被重铸。在亚洲和欧洲发现了大量的铜废料，这些发现为我们提供了关于古代铜器制造和使用的重要线索。铸造技术的发展，包括敞口铸模、带芯浇铸法和熔模铸造法，使得铜器的生产变得更加高效。
敞囗铸模技术是一种简单的铸造方法，适用于铸造扁平或简单的物件。在马家窑文化遗址中发现的铜刀，就是使用这种技术铸造的。这种技术可能涉及到将铜液直接倒入一个简单的模具中，模具通常由陶土制成，铜液冷却后形成所需的形状。
早在新石器时代晚期和夏代，人们已能用石范和陶范铸造简陋的工具和武器。商代早期的铜爵，所用铸型由多块陶范和泥芯组成，有的壁厚仅2毫米，表明铸造技术已达一定水平。商代中期已使用锡青铜和铅青铜两种合金，能铸造重80千克的大鼎，具有中国特色的组合陶范铸造工艺在此期间大体已经形成。
带芯浇铸法是一种更为先进的铸造技术，通过在模具中放置一个芯子来形成铸件的内部结构。这种方法使得铸造复杂形状的铜器成为可能，如容器和礼器。带芯浇铸法在商代晚期至西周时期得到了广泛应用，尤其是在制作青铜器方面，这一技术的发展显著提高了铜器的生产效率和质量。
熔模铸造法，又称失蜡法，是一种精密铸造技术。这种方法涉及用蜡制作铸件的原型，然后在蜡模表面覆盖多层泥浆和耐火材料，形成铸型。加热后，蜡模融化流出，留下型腔，随后浇入熔化的金属，这种方法可以制作出细节丰富的复杂铸件。
早期的人类在制作铜器时通常只能就地取材，因此，所制作铜器的化学成分往往与当地铜矿资源是否含有其他金属以及含有何种金属密切相关。例如，若铜矿中含有锌就可能制作出黄铜器，若铜矿中含有镍就可能制作出白铜器，含有锡就可能制作出锡青铜器。
随着冶金技艺的提高，铜器的材质趋于统一，主要以青铜为主。这一转变在中国北方的冶金术发展中尤为明显，特别是河西走廊地区。
甘肃和青海地区出土的早期铜器含有一定量的砷，与中原和北方地区出土的早期铜器有所不同。甘肃省武威市皇娘娘台墓地出土的齐家文化铜器大多为红铜。到了四坝文化时期，出土铜器的数量和遗址都大幅增加，该文化已经发现的出土铜器中既有红铜和青铜，又有新发现的砷铜等多种材质。四坝文化早期，人们已经熟练掌握了冶炼红铜的技术，并逐渐发展出砷铜、锡砷、铅锡、锡青铜、锡铁青铜等二元或三元合金铜，其中砷铜和含砷铜器在这一时期得到长足发展。
四坝文化的铜器合金成分复杂，既有锡青铜和铅锡青铜，又有砷青铜以及其他合金制品。北京大学李水成教授指出，四坝文化普遍发现砷青铜，这一特征与西亚、南欧及北非的早期铜制品相同，可能反映出四坝文化与外界存在某种形式的联系。四坝文化的居民已经掌握了红铜和青铜的一些属性，并逐步认识到砷青铜与锡青铜的不同物理性状，在制作不同器类的过程中，开始有意识地选择红铜、青铜制造不同器物，并最终用锡青铜取代了砷青铜。
（四坝文化的铜刀）
青铜，特别是锡青铜，相较于红铜具有显著的优势。青铜的熔点低(700~900°C)，比红铜熔点(1083°C)低，硬度高，含锡10%的青铜，硬度为红铜的4.7倍，且铸造性能良好，熔化的青铜在冷凝时体积略有涨大，所以青铜铸件填充性好，气孔少。这些特性使得青铜器在制作工具、武器以及礼器方面逐渐取代了红铜器。
甘肃河西走廊的四坝文化和新疆地区的天山北路文化基本是从冶炼红铜到砷铜进而发展为锡青铜，而中原地区的龙山晚期——二里头文化和甘青地区的齐家文化则是从红铜直接发展到锡青铜，未经历砷铜合金这一阶段，这一差异反映了不同地区在冶金技术上的独立发展和创新。
