Il carbonio ha più di dieci allotropi ben noti, tra cui due fullereni, quattro nanotubi a parete singola e tre tipi di grafene, nonché carbonio amorfo e nerofumo. Ma gli allotropi più importanti sono solo due:grafite e diamante. Entrambi gli allotropi sono costituiti esclusivamente da atomi di carbonio. La differenza strutturale chiave che conferisce alla grafite e al diamante proprietà molto diverse risiede nel modo in cui questi atomi di carbonio si legano.