目前，除Pm以外的16個稀土元素都可提純到6N(99.9999%)的純度。由稀土精礦分解后所得到的混合稀土化合物中，分離提取出單一純稀土元素，在化學工藝上是比較復雜和困難的。其主要原因有二個，一是鑭系元素之間的物理性質和化學性質十分相似，多數稀土離子半徑居于相鄰兩元素之間，非常相近，在水溶液中都是穩定的三價態。稀土離子與水的親和力大，因受水合物的保護，其化學性質非常相似，分離提純極為困難。二是稀土精礦分解后所得到的混合稀土化合物中伴生的雜質元素較多(如鈾、釷、鈮、鉭、鈦、鋯、鐵、鈣、硅、氟、磷等)。因此，在分離稀土元素的工藝流程中，不但要考慮這十幾個化學性質極其相近的稀土元素之間的分離，而且還必須考慮稀土元素同伴生的雜質元素之間的分離。

現在稀土生產中采用的分離方法：
(1)分步法
從1794年發現的釔(Y)到1905年發現的镥(Lu)為止，所有天然存在的稀土元素間的單一分離，還有居里夫婦發現的鐳，都是用這種方法分離的。分步法是利用化合物在溶劑中溶解的難易程度(溶解度)上的差別來進行分離和提純的。方法的操作程序是：將含有兩種稀土元素的化合物先以適宜的溶劑溶解后，加熱濃縮，溶液中一部分元素化合物析出來(結晶或沉淀)。析出物中，溶解度較小的稀土元素得到富集，溶解度較大點的稀土元素在溶液中也得到富集。因為稀土元素之間的溶解度差別很小，必須重復操作多次才能將這兩種稀土元素分離開來，因而這是一件非常困難的工作。全部稀土元素的單一分離耗費了100多年，一次分離重復操作竟達2萬次，對于化學工作者而言，其艱辛的程度，可想而知。因此用這樣的方法不能大量生產單一稀土。
(2)離子交換法
由于分步法不能大量生產單一稀土，因而稀土元素的研究工作也受到了阻礙，第二次世界大戰后，美國原子彈研制計劃即所謂曼哈頓計劃推動了稀土分離技術的發展，因稀土元素和鈾、釷等放射性元素性質相似，為盡快推進原子能的研究，就將稀土作為其代用品加以利用。而且，為了分析原子核裂變產物中含有的稀土元素，并除去鈾、釷中的稀土元素，研究成功了離子交換色層分析法(離子交換法)，進而用于稀土元素的分離。
離子交換色層法的原理是：首先將陽離子交換樹脂填充于柱子內，再將待分離的混合稀土吸附在柱子入口處的那一端，然后讓淋洗液從上到下流經柱子。形成了絡合物的稀土就脫離離子交換樹脂而隨淋洗液一起向下流動。流動的過程中稀土絡合物分解，再吸附于樹脂上。就這樣，稀土離子一邊吸附、脫離樹脂，一邊隨著淋洗液向柱子的出口端流動。由于稀土離子與絡合劑形成的絡合物的穩定性不同，因此各種稀土離子向下移動的速度不一樣，親和力大的稀土向下流動快，結果先到達出口端。
離子交換法的優點是一次操作可以將多個元素加以分離。而且還能得到高純度的產品。這種方法的缺點是不能連續處理，一次操作周期花費時間長，還有樹脂的再生、交換等所耗成本高，因此，這種曾經是分離大量稀土的主要方法已從主流分離方法上退下來，而被溶劑萃取法取代。但由于離子交換色層法具有獲得高純度單一稀土產品的突出特點，目前，為制取超高純單品以及一些重稀土元素的分離，還需用離子交換色層法分離制取一稀土產。
(3)溶劑萃取法
利用有機溶劑從與其不相混溶的水溶液中把被萃取物提取分離出來的方法稱之為有機溶劑液-液液萃取法，簡稱溶劑萃取法，它是一種把物質從一個液相轉移到另一個液相的傳質過程。 溶劑萃取法在石油化工、有機化學、藥物化學和分析化學方面應用較早。但近四十年來，由于原子能科學技術的發展，超純物質及稀有元素生產的需要，溶劑萃取法在核燃料工業、稀有冶金等工業方面，得到了很大的發展。我國在萃取理論的研究、新型萃取劑的合成與應用和稀土元素分離的萃取工藝流程等方面，均達到了很高的水平。 溶劑萃取法其萃取過程與分級沉淀、分級結晶、離子交換等分離方法相比，具有分離效果好、生產能力大、便于快速連續生產、易于實現自動控制等一系列優點，因而逐漸變成分離大量稀土的主要方法。
溶劑萃取法的分離設備有混合澄清槽、離心萃取器等，提純稀土所用的萃取劑有：以酸性磷酸酯為代表的陽離子萃取劑如P204稀土萃取劑、P507稀土萃取劑，以胺為代表的陰離子交換液N1923和以TBP、P350等中性磷酸酯為代表的溶劑萃取劑三種。這些萃取劑的粘度與比重都很高，與水不易分離。通常用煤油等溶劑將其稀釋再用。
萃取工藝過程一般可分為三個主要階段：萃取、洗滌、反萃取。