齒輪可按齒形、齒輪外形、齒線形狀、輪齒所在的表面和制造方法等分類。

齒輪的齒形包括齒廓曲線、壓力角、齒高和變位。漸開線齒輪比較容易制造，因此現代使用的齒輪中，漸開線齒輪占多數，而擺線齒輪和圓弧齒輪應用較少。

在壓力角方面，小壓力角齒輪的承載能力較小；而大壓力角齒輪，雖然承載能力較高，但在傳遞轉矩相同的情況下軸承的負荷增大，因此僅用于特殊情況。而齒輪的齒高已標準化，一般均采用標準齒高。變位齒輪的優點較多，已遍及各類機械設備中。

另外，齒輪還可按其外形分為圓柱齒輪、錐齒輪、非圓齒輪、齒條、蝸桿蝸輪；按齒線形狀分為直齒輪、斜齒輪、人字齒輪、曲線齒輪；按輪齒所在的表面分為外齒輪、內齒輪；按制造方法可分為鑄造齒輪、切制齒輪、軋制齒輪、燒結齒輪等。

齒輪的制造材料和熱處理過程對齒輪的承載能力和尺寸重量有很大的影響。20世紀50年代前，齒輪多用碳鋼，60年代改用合金鋼，而70年代多用表面硬化鋼。按硬度，齒面可區分為軟齒面和硬齒面兩種。軟齒面的齒輪承載能力較低，但制造比較容易，跑合性好，多用于傳動尺寸和重量無嚴格限制，以及小量生產的一般機械中。因為配對的齒輪中，小輪負擔較重，因此為使大小齒輪工作壽命大致相等，小輪齒面硬度一般要比大輪的高。

硬齒面齒輪的承載能力高，它是在齒輪精切之后，再進行淬火、表面淬火或滲碳淬火處理，以提高硬度。但在熱處理中，齒輪不可避免地會產生變形，因此在熱處理之后須進行磨削、研磨或精切，以消除因變形產生的誤差，提高齒輪的精度。