La martensita es una estructura cristalina que se forma en los aceros cuando la austenita se enfría rápidamente a través de una temperatura crítica conocida como temperatura de inicio de transformación martensítica, Ms. La transformación completa de la austenita en martensita ocurrirá a temperaturas inferiores a la de final de transformación, o Mf, en muchos aceros por debajo de la temperatura ambiente. Entre medias de Ms y Mf coexisten martensita y austenita, pudiéndose transformar esta última en bainita inferior en función del tiempo. La austenita residual no es un constituyente deseado en el temple. Con enfriamientos subcero puede llegarse a temperaturas cercanas o inferiores a Mf, con lo que se consigue transformar toda o gran parte de la austenita residual en martensita.

A diferencia de otros productos de transformación como la perlita o la bainita, la formación de martensita no involucra difusión atómica, sino que es un proceso de transformación sin difusión que ocurre casi instantáneamente.

La martensita es una estructura extremadamente dura y frágil, con una alta resistencia a la tracción y una baja tenacidad. Esto se debe a su estructura cristalina de Feα sobresaturada en carbono, que consiste en una red tetragonal con el carbono situado por inserción en varias aristas de la red. Esta estructura le confiere a la martensita sus propiedades características, como alta dureza y resistencia.

 La formación de martensita es común en procesos de endurecimiento por enfriamiento rápido, como el temple, utilizado para mejorar las propiedades mecánicas de los aceros. Sin embargo, la fragilidad inherente de la martensita puede ser un inconveniente en algunas aplicaciones, ya que puede provocar agrietamiento o falla bajo cargas de impacto o vibración. Para mitigar la fragilidad de la martensita, se deben llevar a cabo tratamientos de revenido después del temple.

El aspecto metalográfico de la martensita es de agujas entrecruzadas, sin precipitación en su interior.

El medio de enfriamiento debe ser el suficiente para producir la transformación martensítica en toda la masa de la pieza. Esto dependerá del tamaño de la pieza, severidad del medio de enfriamiento y templabilidad del material. Para aceros con baja templabilidad es necesario que las piezas sean pequeñas y el medio de enfriamiento severo, como el agua.