疲劳强度理论分析涉及三个关键过程：裂纹产生、裂纹延伸和最终断裂。有限元分析（FEA）通过应力预测裂纹的起始，而动态非线性分析则探究裂纹延伸的应变问题。设计工程师的目标是通过确定材料的疲劳强度，防止早期裂纹出现。
裂纹的形成和增长受材料性质和应力场影响。19世纪的疲劳测试由August Wöhler开创，通过周期性载荷如旋转弯曲、悬臂弯曲等测定材料的耐疲劳度，即S-N曲线。根据这些曲线，工程师可以了解材料在特定循环次数下的应力承受能力。S-N曲线分为高周疲劳和低周疲劳，低周疲劳通常在10,000个周期内发生。材料类型的不同会影响曲线的特性：有些如低碳钢有明显的耐疲劳度，而无铁材料无此极限。
设计时，关键在于控制应力不超过材料的耐疲劳度，但局部应力集中可能导致裂纹扩展，即使在‘安全’应力范围内。疲劳载荷历史分析显示，裂纹扩张与载荷周期、平均应力相关，张力载荷下的裂纹延伸显著。Goodman、Gerber和Soderberg方法用于修正平均应力对疲劳寿命的影响，但前提是负载周期的平均应力与应力范围有显著差距。
疲劳寿命计算通常依赖于计算机辅助工程（CAE）中的三种方法：应力寿命法（SN）、应变寿命（EN）和线性弹性破坏力学（LEFM）。SN法最常用，对高周疲劳效果好，但对于塑性部位或低周疲劳的精确度较低。在变幅载荷条件下，使用雨流法计数分析复杂载荷组合，FEA在此提供了强大的工具，能生成寿命图、破坏图等多维度分析结果。
疲劳强度是指金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。实际上，金属材料并不可能作无限多次交变载荷试验。