Carbonul, datorită proprietăților sale chimice unice de legare, are cei mai stabili alotropi dintre orice element. Unii alotropi de carbon, cum ar fi grafitul și diamantul, apar în mod natural; altele, cum ar fi nanotuburile, trebuie să fie fabricate în laborator. Abundența și versatilitatea carbonului îl fac unul dintre cele mai studiate materiale în cercetarea în nanotehnologie, iar alotropii săi au o gamă largă de proprietăți utile, cum ar fi rezistența ridicată la tracțiune și punctele de topire ridicate.
Carbonul amorf și grafitul sunt cei mai obișnuiți doi alotropi și alcătuiesc majoritatea compușilor naturali de carbon, cum ar fi cărbunele și funinginea. Carbonul amorf nu are o structură cristalină specială, ca majoritatea ochelarilor. Atomii de carbon din grafit sunt aranjați în straturi; fiecare strat are legături puternice care îl țin împreună, dar straturile nu se leagă puternic și pot fi îndepărtate cu ușurință unul de celălalt. Grafitul pirolitic pur, în care straturile sunt dispuse toate în același plan, este un material extrem de puternic, rezistent la căldură, utilizat în medii cu stres ridicat, cu temperaturi ridicate. Grafitul conduce electricitatea și poate fi folosit ca moderator pentru reactoare nucleare.
Diamantul, celălalt alotrop natural de carbon, are o structură cristalină rigidă, care se întrepătrund. Diamantul este una dintre cele mai dure substanțe cunoscute și este folosit în industrie pentru șlefuirea și tăierea materialelor. Transparența și durabilitatea diamantului îl fac foarte apreciat ca piatră prețioasă, iar afacerea cu bijuterii a transformat exploatarea diamantelor într-o industrie de mai multe miliarde de dolari. Diamantul poate fi fabricat sintetic din alți alotropi, dar necesită temperaturi și presiuni extrem de ridicate pentru a se forma.
Alți alotropi mai exotici includ buckyballs, nanotuburi și nanospumă de carbon. Acestea apar în mod natural în funingine și au fost găsite în cel puțin o nebuloasă planetară, deși pot fi create și sintetic. Buckyball-urile sunt rețele închise, în formă de bilă, de atomi de carbon, care formează pentagoane și hexagoane interconectate. Nanotuburile de carbon au aceeași structură ca și grafitul, dar în loc să aibă un teanc de straturi, un nanotub se înfășoară și se leagă de el însuși, formând un cilindru lung. Nanotuburile de carbon au o rezistență la tracțiune foarte mare, ceea ce le face atractive ca materiale de construcție noi, deși nu sunt nici pe departe la fel de puternice la compresie.