המרטנזיט נוצר על ידי קירור מהיר (quenching) של תרכובת הנמצאת בפאזה אוסטניטית. הקירור המהיר גורם לאטומי הפחמן להילכד בגביש, כיוון שאינם מספיקים לצאת בדיפוזיה אל מחוץ למבנה הגבישי המתהווה. מבנה זה מכיל מאמצים פנימיים כתוצאה ממהירות המעבר מהפאזה האוסטניטית לפאזה המרטנזיטית. בהגדלה מיקרוסקופית של מרטנזיט מוצק, ניתן לראות שגרעיני הגבישים הם דמויי מחטים מחודדות – דבר המבחין את המרטנזיט מפאזות אחרות.

מבנהו של המרטנזיט הוא body centered tetragonal - BCT לעומת המבנה של האוסטניט – שהוא FCC face-centered-cubic. למרות ההבדל במבנה, הרכבם הכימי והתרכובתי זהה. המעבר מפאזה אוסטניטית לפאזה מרטנזיטית דורש מעט מאוד אנרגיית אקטיבציה, כיוון שהתהליך קורה כתוצאה מרה-ארגון עדין, אך מהיר, של מיקומי האטומים. צפיפות המרטנזיט נמוכה יותר מזו של האוסטניט, לכן המעבר בין שתי הפאזות גורם לשינוי בנפח התרכובת.