Karbon, karena sifat ikatan kimianya yang unik, memiliki alotrop paling stabil dari elemen apa pun. Beberapa alotrop karbon, seperti grafit dan intan, terjadi secara alami; lain, seperti nanotube, harus diproduksi di laboratorium. Kelimpahan dan keserbagunaan karbon menjadikannya salah satu bahan yang paling banyak dipelajari dalam penelitian nanoteknologi, dan alotropnya memiliki berbagai sifat yang berguna, seperti kekuatan tarik tinggi dan titik leleh tinggi.
Karbon amorf dan grafit adalah dua alotrop yang paling umum, dan mereka membentuk sebagian besar senyawa karbon alami seperti batu bara dan jelaga. Karbon amorf tidak memiliki struktur kristal tertentu, seperti kebanyakan gelas. Atom karbon dalam grafit tersusun berlapis-lapis; setiap lapisan memiliki ikatan kuat yang menyatukannya, tetapi lapisan-lapisan tersebut tidak terikat kuat, dan mereka dapat dengan mudah terhapus satu sama lain. Grafit pirolitik murni, di mana semua lapisannya tersusun dalam bidang yang sama, adalah bahan yang sangat kuat dan tahan panas yang digunakan di lingkungan bertegangan tinggi dan bersuhu tinggi. Grafit menghantarkan listrik dan dapat digunakan sebagai moderator untuk reaktor nuklir.
Intan, alotrop karbon alami lainnya, memiliki struktur kristal yang kaku dan saling terkait. Berlian adalah salah satu zat terkeras yang diketahui, dan digunakan dalam industri untuk menggiling dan memotong bahan. Transparansi dan daya tahan berlian membuatnya sangat dihargai sebagai batu permata, dan bisnis perhiasan telah mengubah penambangan berlian menjadi industri bernilai miliaran dolar. Berlian dapat diproduksi secara sintetis dari alotrop lain, tetapi membutuhkan suhu dan tekanan yang sangat tinggi untuk terbentuk.
Alotrop lain yang lebih eksotis termasuk buckyballs, nanotube dan karbon nanofoam. Ini terjadi secara alami dalam jelaga, dan telah ditemukan di setidaknya satu nebula planet, meskipun mereka juga dapat dibuat secara sintetis. Buckyballs adalah jaringan atom karbon berbentuk bola yang tertutup, yang membentuk segi lima dan segi enam yang saling terkait. Tabung nano karbon memiliki struktur yang sama dengan grafit, tetapi bukannya memiliki tumpukan lapisan, tabung nano membungkus dan mengikat dirinya sendiri, membentuk silinder panjang. Karbon nanotube memiliki kekuatan tarik yang sangat tinggi, membuatnya menarik sebagai bahan konstruksi baru, meskipun mereka tidak sekuat di bawah kompresi.