Roestvrij staal is vrijwel roestvrij dankzij de chemische samenstelling. Er ontstaat een beschermlaag op het oppervlak, waardoor er geen zuurstof in contact kan komen met het ijzer.
Staal roest vaak als ijzer reageert met zuurstof. Er ontstaat dan ijzeroxide, wat het ijzer kan aantasten en het materiaal minder veilig en lelijk maakt. De chemische samenstelling van roestvrij staal voorkomt dat zuurstof in de lucht en de omgeving in contact komt met het ijzer in het staal, waardoor schadelijke oxidatiereacties worden voorkomen.

Roestvrij staal bevat doorgaans 62 - 75% ijzer, 1% koolstof, meer dan 10,5% chroom en een paar procent nikkel. Hierdoor is het materiaal duurzamer en gemakkelijker te bewerken. Staal is doorgaans een legering die uit 99% ijzer en ongeveer 0,2 - 1% koolstof bestaat.
Volgens materiaalkundige Tim Collins, secretaris-generaal van Worldstainless, een Belgische non-profitorganisatie die samenwerkt met de World Steel Association, speelt chroom een belangrijke rol bij de roestbestendigheid van roestvrij staal.
Chroom reageert met zuurstof in de omgeving, zowel in de lucht als onder water. Hierdoor ontstaat een passieve laag chroomoxide (Cr2O3) op het metaaloppervlak. Hierdoor kan zuurstof niet in contact komen met het ijzer in het staal en kan er roest ontstaan.
De chroomoxidelaag op roestvrij staal is slechts enkele nanometers dik, is onzichtbaar en heeft het vermogen om zichzelf te herstellen als deze beschadigd raakt. Het is inert, reageert niet chemisch met andere verbindingen en lekt niet uit. Deze eigenschappen maken roestvast staal uitermate geschikt voor de voedingsmiddelenindustrie, chirurgie en vele andere toepassingen.
Roestvrij staal werd in 1912 ontwikkeld door de Britse metaalkundige Harry Brearle, toen hij onderzoek deed naar staallegeringen om corrosie in geweerlopen te voorkomen. Brearley creëerde een legering van ijzer, koolstof, chroom en nikkel, maar hij gooide deze via de achterdeur van zijn huis weg omdat deze niet geschikt was voor geweerlopen. Na een paar weken zag hij dat de legering op de werf niet roestte. Hij gebruikte deze legering om het materiaal te ontwikkelen en bracht het product in 1915 op de markt.
De productie van roestvast staal is complex en vereist speciale metaalcomponenten in de legering (zoals molybdeen voor toepassingen onder water). Hierdoor zijn de productiekosten 3 tot 5 keer hoger dan bij gewoon staal. Daarom wordt tegenwoordig voor de meeste toepassingen waarvoor staal nodig is, gewoon staal of koolstofstaal gebruikt.