על פי שיטת העיבוד או אובייקט העיבוד, ניתן לחלק אותו למחרטה, מכונת קידוח, מכונת משעמם, מכונת שחיקה, מכונת עיבוד גלגלי שיניים, מכונת עיבוד חוטים, מכונת עיבוד ספליין, מכונת כרסום, פלטה, מכונת חריצים, מכונת חיתוך, מיוחדת מכונת עיבוד, מכונת ניסור ומכונת חריטה וכו'. כל קטגוריה מחולקת למספר קבוצות לפי המבנה או אובייקט העיבוד שלה, וכל קבוצה מחולקת למספר סוגים.
על פי גודל חומר העבודה ומשקל הכלי, ניתן לחלק אותו לכלי מכונות מכשירים, כלי מכונות קטנים ובינוניים, מכונות גדולות, מכונות כבדות וכלי מכונות סופר-כבדים; על פי דיוק העיבוד, ניתן לחלק אותו לכלי מכונות דיוק רגילות, מכונות מדויקות וכלי מכונות דיוק גבוה; על פי מידת האוטומציה, ניתן לחלק אותו לכלי מכונות ידניים להפעלת מכונות, כלי מכונות חצי אוטומטיים וכלי מכונות אוטומטיים; על פי מצב הבקרה האוטומטי של כלי מכונות, ניתן לחלק אותו לכלי מכונות העתקה, כלי מכונות נשלטי תוכנית, כלי מכונות בקרה דיגיטליים, כלי מכונות בקרה אדפטיבית, מרכזי עיבוד שבבי ומערכות ייצור גמישות; מחולק לכלי מכונות למטרות כלליות, מיוחדות ומיוחדות.
קיים כלי מכונה אוטומטי או חצי אוטומטי המורכב ממספר קטן של רכיבים מיוחדים שתוכננו לפי הצורה הספציפית או טכנולוגיית העיבוד של חומר העבודה, המבוסס על רכיבים סטנדרטיים לשימוש כללי, הנקרא כלי מכונה משולב.
לעיבוד של חלק אחד או כמה חלקים, סדרת כלי מכונות מסודרות ברצף בהתאם לתהליך, ומצוידות בהתקני טעינה ופריקה אוטומטיים והתקני העברת חלקים אוטומטיים בין המכונות למכונות. מערכת הייצור הגמישה מורכבת מקבוצה של כלי מכונות בשליטה דיגיטלית וציוד תהליך אוטומטי אחר. הוא נשלט על ידי מחשבים אלקטרוניים ויכול לעבד חלקי עבודה באופן אוטומטי בתהליכים שונים, ויכול להתאים לייצור רב-זנים.