คาร์บอนเนื่องจากคุณสมบัติการยึดเกาะทางเคมีที่เป็นเอกลักษณ์จึงมี allotropes ที่เสถียรที่สุดขององค์ประกอบใด ๆ บางส่วนของคาร์บอนเช่นกราไฟต์และเพชรเกิดขึ้นตามธรรมชาติ อื่น ๆ เช่นท่อนาโนต้องผลิตในห้องปฏิบัติการ ความอุดมสมบูรณ์และความหลากหลายของคาร์บอนทำให้เป็นหนึ่งในวัสดุที่ศึกษามากที่สุดในการวิจัยนาโนเทคโนโลยีและ allotropes มีคุณสมบัติที่มีประโยชน์มากมายเช่นความต้านทานแรงดึงสูงและจุดหลอมเหลวสูง
อะมอร์ฟัสคาร์บอนและกราไฟต์เป็นอัลโลทโทรปที่พบมากที่สุดสองชนิดและพวกมันประกอบไปด้วยสารประกอบคาร์บอนธรรมชาติส่วนใหญ่เช่นถ่านหินและเขม่า คาร์บอนอสัณฐานไม่มีโครงสร้างผลึกโดยเฉพาะเหมือนแก้วส่วนใหญ่ อะตอมของคาร์บอนในกราไฟต์จัดเรียงเป็นชั้น แต่ละชั้นมีพันธะที่แข็งแรงจับมันไว้ด้วยกัน แต่ชั้นนั้นไม่ได้ยึดติดกันอย่างแน่นหนาและพวกมันสามารถถูกันได้อย่างง่ายดาย กราไฟต์ pyrolytic บริสุทธิ์ซึ่งชั้นทั้งหมดถูกจัดเรียงในระนาบเดียวกันเป็นวัสดุที่แข็งแกร่งและทนความร้อนสูงที่ใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีความเครียดและอุณหภูมิสูง กราไฟต์ทำหน้าที่ผลิตกระแสไฟฟ้าและสามารถใช้เป็นตัวควบคุมสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
ไดมอนด์ (Carbon Allotrope) อีกชนิดหนึ่งมีโครงสร้างผลึกที่แข็งและประสานกัน เพชรเป็นหนึ่งในสารที่แข็งที่สุดที่รู้จักและใช้ในอุตสาหกรรมในการบดและตัดวัสดุ ความโปร่งใสและความทนทานของเพชรทำให้ได้รับการยกย่องอย่างสูงในฐานะอัญมณีและธุรกิจเครื่องประดับได้เปลี่ยนการทำเหมืองเพชรเป็นอุตสาหกรรมที่มีมูลค่าหลายพันล้านดอลลาร์ เพชรสามารถผลิตได้สังเคราะห์จาก allotropes อื่น ๆ แต่ต้องใช้อุณหภูมิสูงมากและแรงกดดันในการสร้าง
อื่น ๆ , allotropes ที่แปลกใหม่มากขึ้น ได้แก่ buckyballs, nanotubes และ nanofoam คาร์บอน สิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นตามธรรมชาติในเขม่าและพบได้ในเนบิวลาดาวเคราะห์อย่างน้อยหนึ่งแห่งถึงแม้ว่าพวกมันจะสามารถสร้างขึ้นได้ด้วยการสังเคราะห์ก็ตาม Buckyballs ถูกปิดเครือข่ายที่มีรูปร่างคล้ายลูกบอลของอะตอมคาร์บอนซึ่งก่อตัวเป็นรูปห้าเหลี่ยมประสานและรูปหกเหลี่ยม ท่อนาโนคาร์บอนมีโครงสร้างแบบเดียวกันกับกราไฟต์ แต่แทนที่จะมีชั้นเป็นชั้น ๆ ท่อนาโนก็ล้อมรอบและยึดติดกับตัวเองกลายเป็นกระบอกยาว ท่อนาโนคาร์บอนมีความต้านทานแรงดึงสูงมากทำให้มีความน่าสนใจเหมือนวัสดุก่อสร้างใหม่แม้ว่าจะไม่ได้แรงบีบอัด
