碳具有不同的同素异形形式，具有各种分子构型和原子结构。碳的物理性质随同素异形体的不同而有很大差异。碳的一些著名的同素异形体包括石墨，金刚石和富勒烯。
石墨是已知的软材料之一，用于铅笔和固体润滑剂。它也是良好的电导体，使其可用于电池和太阳能电池板。
石墨烯只是排列在蜂窝晶格中的一层石墨原子层。在石墨烯层中，每个碳原子与其他三个原子共价键合，从而使第四个电子自由在平面中迁移，因此具有导电性。
相反，钻石是最难自然产生的物质，并且是碳的独特属性之一。它的密度几乎是石墨的两倍，每个碳原子四面体键合到另外四个碳原子上，没有自由流动的电子。因此，钻石是不良的电导体。与不透明的石墨不同，钻石的外观也很清晰。
科学家还合成了碳的其他同素异形体，例如富勒烯，碳纳米泡沫等。它们具有特殊的性能，构成了纳米材料研究的新兴领域。富勒烯是封闭的笼子（布基球）或圆柱体（碳纳米管）构象中的一组空心碳分子。