低温回火主要发生马氏体的分解，ε碳化物的析出和残余奥氏体的部分分解，得到回火马氏体和残余奥氏体的混合组织，其中主要是回火马氏体。如果是过共析钢，回火组织中还有二次渗碳体（二次渗碳体在回火过程中并不发生变化）。相当部分的中碳钢淬火后得到板条状和片状马氏体的混合组织，经低温回火后，其回火马氏体也仍然保持着原来的板条状或片状形态。低碳钢淬火后得到板条状马氏体，经低温回火后，仍然保持着原来的板条状，主要发生了碳偏聚，ε碳化物甚少析出（含碳量小于0.2%时不析出）。回火马氏体可以认为与淬火状态下基本相同，但是在光学显微镜下，回火马氏体被腐蚀呈黑色。

低温回火的主要目的是使工件在尽可能保持高硬度、高强度及耐磨性的同时，降低淬火应力、减小脆性等，提高材料的塑性和韧性。由于回火温度较低，低温回火多在带有热风循环的空气炉、油浴、硝盐浴等设备中进行。在保温过程中，淬火应力逐渐减小。回火温度越高，保温时间越长，则应力减小的程度越大，所以低温回火时的保温时间一般较长。保温结束后的工件在空气中冷却。

 保持高硬度的刃具、量具、冷作模具、滚动轴承、渗碳件、表面淬火件、碳氮共渗件和一些高强度钢等多采用低温回火工艺。