В статье изложены теоретические основы и экспериментальный подход к обеспечению гигацикловой усталости деталей класса валов при научно обоснованном подходе к проектированию операционных технологических процессов финишной стадии обработки. На основе фундаментальных положений теории пластической деформации металлов получены аналитические зависимости, связывающие силовые, температурные и скоростные факторы лезвийных и упрочняющих методов обработки на формирование параметров состояния поверхностного слоя, из которых наибольшее внимание уделено размеру зерна металла поверхностного слоя. Данный параметр в значительной степени определяет возможности сопротивления процессам усталостного разрушения при дислокационном механизме роста усталостных трещин. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность технологического управления коэффициентом интенсивности напряжений при циклических нагружениях за счет реализации определенных условий операционных технологических процессов. В качестве методов обработки на финишной стадии технологического процесса использовались лезвийные инструменты из черной оксидной керамики и композитов, а также искусственные алмазы для выглаживания. Для этих методов обработки экспериментально установлены возможности управления режимами как тонкого точения, так и алмазного выглаживания размером зерна поверхностного слоя деталей из закаленных среднеуглеродистых и легированных сталей. Получены экспериментальные зависимости предела выносливости образцов из указанных материалов в зависимости от размера зерна поверхностного слоя. На основе исследований зависимостей числа циклов до разрушения представлена реальная картина возможностей технологического обеспечения гигацикловой усталости деталей класса валов из различных конструкционных материалов.