形狀記憶合金之所以具有變形恢復能力，是因為變形過程中材料內部發生的熱彈性馬氏體相變。形狀記憶合金中具有兩種相：高溫相奧氏體相，低溫相馬氏體相。根據不同的熱力載荷條件，形狀記憶合金呈現出兩種性能。
形狀記憶效應
單程記憶效應。形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現象稱為單程記憶效應。
雙程記憶效應。某些合金加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時又能恢復低溫相形狀，稱為雙程記憶效應。
全程記憶效應。加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時變為形狀相同而取向相反的低溫相形狀，稱為全程記憶效應。
SMA的形狀記憶效應源于熱彈性馬氏體相變，這種馬氏體一旦形成，就會隨著溫度下降而繼續生長，如果溫度上升它又會減少，以完全相反的過程消失。兩項自由能之差作為相變驅動力。兩項自由能相等的溫度T0稱為平衡溫度。只有當溫度低于平衡溫度T0時才會產生馬氏體相變，反之，只有當溫度高于平衡溫度T0時才會發生逆相變。
在SMA中，馬氏體相變不僅由溫度引起，也可以由應力引起，這種由應力引起的馬氏體相變叫做應力誘發馬氏體相變，且相變溫度同應力呈線性關系。
至今為止發現的記憶合金體系：Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、NiAl、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。
偽彈性
當形狀記憶合金在高溫相奧氏體狀態下受到外力發生較大變形，去除外力后，大變形完全恢復。但是在變形過程中，應力應變曲線并不是線性的，會產生耗散能。