Die genaue Zusammensetzung variiert für martensitische Edelstahlsorten. Aber in der Regel enthält Edelstahl Kohlenstoff. Es kann auch kleine Mengen an Silizium, Molybdän und Phosphor enthalten. Brearleys erste Edelstahlproben waren martensitisch. Diese Legierungen sind magnetisch und werden normalerweise im geglühten Zustand geformt und anschließend wärmebehandelt. Chrom ist das Hauptlegierungselement von martensitischem Edelstahl und verleiht einem Material mit inhärent hoher Festigkeit und Härte eine mäßige Korrosionsbeständigkeit.

Normalerweise werden Nickelkonzentrationen von als stabilisierendes Element hinzugefügt, um sicherzustellen, dass ein martensitischer Stahl seine Zähigkeitseigenschaften während der Wärmebehandlung beibehält, was die Herstellung einer Reihe von Komponententypen ermöglicht. Martensitische rostfreie Stähle werden oft vergessen, vielleicht weil sie mit austenitischen und ferritische Güten sind nicht sehr gefragt. Sie spielen jedoch oft eine große und oft unsichtbare Rolle in der modernen Infrastruktur. Die durch Wärmebehandlung erzielte Festigkeit hängt vom Kohlenstoffgehalt der Legierung ab. Eine Erhöhung des Kohlenstoffgehalts erhöht die potenzielle Härte und Festigkeit, verringert jedoch die Zähigkeit und Duktilität. Die höheren Kohlenstoffqualitäten können auf eine Härte von bis zu 60 HRC wärmebehandelt werden.

Im wärmebehandelten, gehärteten und angelassenen Zustand wird eine optimale Korrosionsbeständigkeit erreicht. Andere martensitische Güten wurden mit Nickel- und Stickstoffzusätzen hergestellt, die jedoch einen niedrigeren Kohlenstoffgehalt als die herkömmlichen Güten aufweisen. Diese Stähle haben eine verbesserte Schweißbarkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Artensitische Edelstähle ähneln vielen niedrig legierten Stählen, bei denen Kohlenstoff das Hauptelement ist. Normalerweise gehen Stähle beim Erhitzen vom ferritischen in den austenitischen Zustand über. Der Stahl wird beim langsamen Abkühlen wieder zu Ferrit. Allerdings werden die Kohlenstoffatome bei schneller Abkühlung durch Abschrecken in Wasser oder Öl in einer etwas verzerrten Atommatrix eingeschlossen. Dies ist als raumzentriertes Tetragonal bekannt.

Durch die Verzerrung der Atommatrix entsteht das hartmartensitische Gefüge. Adolf Martens beobachtete erstmals 1890 die raumzentrierte tetragonale Martensit-Mikrostruktur. Je höher der Kohlenstoffgehalt, desto härter ist der Martensit. Martensitische Stähle sind im abgeschreckten und nicht angelassenen Zustand praktisch nutzlos, da sie keine ausreichende Schlagzähigkeit aufweisen, spröde und für technische Anwendungen ungeeignet sind. Die häufigste Behandlung nach dem Abschrecken ist das Anlassen. Dies erfordert das Erhitzen des Stahls auf eine Temperatur zwischen . Die Temperatur und die Zeitdauer bei der Temperatur bestimmen die endgültigen Eigenschaften des Stahls. Tempern verleiht eine Kombination aus Elastizität und Festigkeit. Martensitischer Edelstahl kann im Gegensatz zu austenitischem Edelstahl auch zerstörungsfrei mit dem Magnetpulverprüfverfahren geprüft werden.