En el proceso de servicio de engranajes, el fallo por fatiga prematura o la fractura de los engranajes a menudo son causados por un mal rendimiento superficial. El acero 20CrNiMo es un material comúnmente utilizado para engranajes. Se llevaron a cabo tratamientos de peening láser (LSP), tratamiento de cementación (CT) y modificación híbrida del tratamiento de cementación y peening láser (LSP + CT) para mejorar el rendimiento del acero 20CrNiMo. Se analizaron la dureza, el estrés residual, la microestructura, el tamaño de subgrano y la tenacidad de las muestras siguiendo varios métodos de modificación. Se observó que las propiedades de los materiales de estructura de gradiente modificados por compuestos logrados a través de la cementación y el peening láser eran superiores a las modificadas utilizando métodos individuales. Después del tratamiento compuesto de cementación y peening láser, las muestras mostraron el aumento más significativo en dureza, alcanzando hasta 916HV0.1, con una capa superficial que experimentó un estrés residual de compresión tan bajo como -635 MPa. Al mismo tiempo, se formó una microestructura de gradiente en la capa superficial, con el 80% de los cristalitos en el rango nanométrico. Además, la tenacidad se mejoró notablemente. Los resultados experimentales confirman la mejora en las propiedades de las muestras de 20CrNiMo, resultando en la creación de un material funcionalmente graduado a través del tratamiento compuesto de cementación y peening láser.