Железо — типичный металл, в свободном состоянии — серебристо-белого цвета с сероватым оттенком. Чистый металл пластичен, различные примеси (в частности — углерод) повышают его твёрдость и хрупкость. Обладает ярко выраженными магнитными свойствами.

Для железа характерен полиморфизм, он имеет четыре кристаллические модификации:

— до 769 °C существует α-Fe (феррит) с объемно-центрированной кубической решёткой и свойствами ферромагнетика (769 °C ≈ 1043 K — точка Кюри для железа)

— в температурном интервале 769—917 °C существует β-Fe, который отличается от α-Fe только параметрами объемно-центрированной кубической решётки и магнитными свойствами парамагнетика

— в температурном интервале 917—1394 °C существует γ-Fe (аустенит) с гранецентрированной кубической решёткой

— выше 1394 °C устойчив δ-Fe с объемно-центрированной кубической решёткой

Явление полиморфизма чрезвычайно важно для металлургии стали. Именно благодаря α—γ переходам кристаллической решётки происходит термообработка стали. Без этого явления железо как основа стали не получило бы такого широкого применения.

Железо тугоплавко, относится к металлам средней активности. Температура плавления железа 1539 °C, температура кипения — 2862 °C.