W kręgu jego szczególnego zainteresowania była obserwacja jam skurczowych po odlewaniu. Zaobserwował i opisał strukturę dendrytyczną, którą miał określić mianem "kryształów sosnopodobnych". Przeprowadził również obserwacje i badania przełomów. Zaprojektował i zbudował twardościomierz Brinella, maszynę wytrzymałościową oraz tzw. scratch tester. Był autorem licznych podręczników dotyczących badań nad materiałami. Rozwinął takie techniki obróbki materiałów jak cięcie, szlifowanie, polerowania i trawienie. Były to nowinki głównie zapożyczone z mineralogii.
Oryginalne zapiski i pomysły Martensa są przechowywane w zbiorach Federalnego Instytutu Badań Materiałów w Berlinie (BAM).
Uhonorowanie naukowca W 1902 roku pojawiła się idea, aby nazwisko Adolfa Martensa reprezentowało metalograficzny składnik ze "strukturą igieł wielkiej twardości". Francuski profesor Floris Osmond powiedział:
Szósty Kongres Międzynarodowego Stowarzyszenia Badań Materiałów (IATM) odbył się w Nowym Jorku we wrześniu 1912 r. Podczas tego spotkania Komisja Nazewnictwa Mikroskopowych Substancji i Struktur Stali i Żeliw podjęła ostateczną decyzję w sprawie nazwy dla składników strukturalnych w stopach żelaza z węglem.