Há vários alótropos de carbono, e entre os mais conhecidos estão a grafite, o diamante e o carbono amorfo. As propriedades físicas do carbono variam de acordo com sua forma alotrópica. Por exemplo, o diamante é altamente transparente, enquanto a grafite é um material opaco e preto. O diamante é o material mais duro que se conhece na natureza, onde a grafite é um material macio a ponto de conseguir riscar no papel (desde o seu nome, da palavra grega "γράφω", que significa para escrever). O diamante tem um baixíssima condutividade elétrica, enquanto a grafite é um excelente condutor. Sob condições ambientais normais, o diamante, os nanotubos de carbono e o grafeno têm uma elevada  condutividade térmica entre todos os materiais conhecidos.

Todos os alótropos de carbono são sólidos em temperatura ambiente, com a grafite sendo o mais estável termodinâmico. Eles têm resistência química e requerem altas temperaturas para reagir com o oxigênio. O estado de oxidação mais comum do carbono em um composto inorgânico é o +4, onde +2 é encontrado no monóxido de carbono e outros complexos de carboxila metálica com metais de transição. A maior disponibilidade de compostos inorgânicos com carbono está no calcário, na dolomita e o dióxido de carbono, porém quantidades significativas são encontradas nas minas de carvão, nas turfas, no petróleo e nas fontes de hidrato de carbono. É o elemento químico mais numeroso de compostos químicos , mais do que os outros elementos químicos, com quase dez milhões de compostos.