Gỉ sét là kết quả của phản ứng giữa sắt với oxy khi có mặt nước. Các nguyên tử sắt ở bề mặt nhường electron, rồi kết hợp với oxy và nước tạo thành một hợp chất mới màu nâu cam gọi là oxit sắt ngậm nước. Lớp này xốp và dễ bong tróc, nên nó không che chở được phần sắt bên dưới mà để quá trình ăn mòn tiếp tục lan sâu vào trong.

Bản chất của gỉ sét là hiện tượng ăn mòn điện hoá. Nó cần đủ ba yếu tố cùng lúc là sắt, oxy và nước; thiếu một trong ba thì sắt gần như không gỉ. Nước đóng vai trò dung môi giúp phản ứng diễn ra, còn oxy là chất lấy electron của sắt. Muối và axit làm nước dẫn điện tốt hơn nên đẩy nhanh quá trình, đó là lý do đồ sắt ở vùng biển hay gỉ rất nhanh. Khác với nhôm vốn tạo một lớp oxit mỏng và khít để tự bảo vệ, gỉ sắt lại bở và tơi nên sự ăn mòn cứ tiếp diễn không ngừng.

Một chiếc đinh sắt cất trong hộp kín khô ráo có thể sáng bóng suốt nhiều năm, nhưng cũng chiếc đinh ấy vứt ngoài sân mưa nắng chỉ vài tuần đã phủ một lớp gỉ nâu. Ở vùng ven biển, cổng sắt, xe máy hay lan can gỉ nhanh hơn hẳn so với trong đất liền vì không khí vừa mặn vừa ẩm. Đó cũng là lý do người ta sơn phủ, mạ kẽm hoặc bôi dầu lên đồ sắt để cách ly chúng khỏi nước và oxy.

Nhiều người nghĩ chỉ cần trời ẩm, hoặc chỉ cần có oxy là sắt sẽ gỉ, nhưng thật ra phải có cả nước lẫn oxy cùng lúc. Trong môi trường hoàn toàn khô, sắt tiếp xúc với oxy vẫn rất khó gỉ; ngược lại, sắt ngâm trong nước đã đun sôi kỹ để đuổi hết khí oxy cũng gỉ rất chậm. Chính sự kết hợp của hai yếu tố này mới sinh ra gỉ sét.