El distinto enfriamiento entre este acero y los de su misma composición pero recocidos y normalizados, genera una microestructura diferente que, lógicamente, condiciona sus propiedades macroscópicas. Partiendo de un estado de austenización, la elevada velocidad de enfriamiento a la que es sometido, hace que el diagrama Fe-C no sea válido para predecir las fases que van a aparecer, ya que se aleja demasiado de las condiciones de enfriamiento de equilibrio.
Durante el rápido enfriamiento, la difusión del carbono se ve muy limitada, de modo que se obtiene una solución sobresaturada de C en hierro α. El exceso de C en la estructura cúbica de la ferrita hace que esta se deforme hasta convertirse en una red de tipo tetragonal. A esta estructura se le denomina martensita. Es un microsconstituyente de no equilibrio, que tiende a descomponerse en las estructuras que indica el diagrama Fe-C a temperatura ambiente (α y Fe3C). Lo que sucede es que dicha descomposición, pese a ser termodinámicamente favorable (ΔG < 0), es muy lenta. Tanto que, a efectos prácticos, se puede considerar a la martensita como una estructura estable a temperatura ambiente.
La sobresaturación de C crea tensiones en la red cristalina de la martensita confiriéndole una elevada dureza. De hecho, es el microconstituyente más duro y resistente que puede encontrarse en un acero, aunque también es el más frágil. Observada mediante microscopía óptica tiene forma acicular, asemejándose a un montón de paja, cuando se emplean bajos aumentos.