本发明公开了一种控制低碳合金钢齿轮硬度及变形量的热处理方法，包括以下步骤：将低碳合金钢齿轮零件进行预处理；将预处理后的低碳合金钢齿轮零件进行渗碳处理；将渗碳处理后的低碳合金钢齿轮零件先置于650±10℃温度下进行第一次回火处理，再置于630±10℃下进行第二次回火处理；将回火处理后的低碳合金钢齿轮零件按预设要求去除渗碳层，置于810±10℃温度下进行淬火处理；将淬火处理后的低碳合金钢齿轮零件再依次进行冷处理、回火处理、后处理。本发明具有渗碳后淬火前零件硬度低且淬火后零件热变形量小的优点。