Przemiana martenzytyczna jest przemianą bezdyfuzyjną i zachodzi przy dużym przechłodzeniu poniżej temperatury Ms,z szybkościa chłodzenia poniżej krytycznej Vk. W wyniku tej przemiany powstaje martenzyt, czyli przesycony roztwór węgla w żelazie ?. Przemiana martenzytyczna zachodzi pod warunkiem ciągłego obniżania temperatury w zakresie od temperatury początku przemiany Ms, do temperatury Mf jej końca. Wartości temperatury Ms i Mf zależą od składu chemicznego austenitu i obniżają się ze zwiększeniem stężenia węgla w austenicie oraz wszystkich niemal dodatków stopowych z wyjątkiem Al. i Co. Przemiana martenzytyczna rozpoczyna się od utworzenia w austenicie embrionów, tj zarodków pierwotnych, którymi mogą być błędy ułożenia. Zarodkami przemiany martenzytyczne są embriony, które przekraczają wielkość krytyczną. Z upływem czasu przemiany następuje autokataliza polegająca na przyspieszeniu zarodkowania. Tworzące się zarodki odkształcają bowiem otaczającą osnowę i sprzyjają powstawaniu nowych zarodków.