Мартенси́тное превраще́ние — полиморфное превращение, при котором изменение взаимного расположения составляющих кристалл атомов (или молекул) происходит путем их упорядоченного перемещения. Относительные смещения соседних атомов в новые позиции при мартенситном превращении происходят на расстояния, не превышающие межатомные. Перестройка кристаллической решетки в микрообластях сопровождается деформационными явлениями. Поэтому конечная фаза мартенситного превращения может рассматриваться как однородно деформированная исходная фаза. Величина такой деформации около 1-10%, соответственно, энергетический барьер, препятствующий однородному переходу исходной фазы в конечную, по сравнению с энергией связи в кристалле также мал.
Необходимым условием мартенситного превращения является сохранение упорядоченного контакта между фазами. Мартенситные превращения, как правило, сопровождаются сдвигами и изменениями объема. Существенную роль играют внутренние напряжения, возникающие из-за упругого приспособления кристаллических решеток, сопрягающихся по границам фаз. Релаксация внутренних напряжений делает мартенситные превращения существенно необратимыми, между прямым и обратным превращением возникает значительный гистерезис.
Известны сотни веществ, изменяющих свою кристаллическую структуру при мартенситных превращениях. Мартенситные превращения обнаружены во многих кристаллических материалах: в чистых металлах, сплавах, ионных, ковалентных и молекулярных кристаллах. Наиболее полно они изучены в сплавах на основе железа, в частности в связи с закалкой стали (мартенсит). Значительный вклад в изучение мартенситных превращений внесли работы Г. В. Курдюмова и его учеников.