La diffusione superficiale è un tipo di diffusione che avviene fra due materiali disposti in modo tale da poter interagire tramite una superficie. Essi si scambiano degli atomi fino a raggiungere una condizione di equilibrio termodinamico. Quindi si passa da una condizione di equilibrio metastabile in cui gli atomi del primo materiale sono sul materiale stesso e viceversa, a una stabile in cui una percentuale degli atomi del primo materiale si trova sul secondo materiale e viceversa.
I fattori che determinano la mobilità atomica permettendone la diffusione sono:
Un esempio di diffusione superficiale è, nel processo di carbocementazione delle ruote dentate di un ingranaggio, la fase in cui dall'atmosfera del forno industriale si depositano degli atomi di carbonio su tali ruote, lasciando inalterato il cuore del dente e dell'ingranaggio. La superficie è quindi sottoposta a compressione e di conseguenza si assiste ad un aumento della resistenza a frattura, grazie alla quale aumenta la vita utile media l'ingranaggio.