Kol, på grund av dess unika kemiska bindningsegenskaper, har de mest stabila allotroperna av alla grundämnen. Vissa allotroper av kol, såsom grafit och diamant, förekommer naturligt; andra, såsom nanorör, måste tillverkas i laboratoriet. Kolets överflöd och mångsidighet gör det till ett av de mest studerade materialen inom nanoteknologisk forskning, och dess allotroper har ett brett utbud av användbara egenskaper, såsom hög draghållfasthet och höga smältpunkter.
Amorft kol och grafit är de två vanligaste allotroperna, och de utgör majoriteten av naturliga kolföreningar som kol och sot. Amorft kol har ingen speciell kristallstruktur, som de flesta glasögon. Kolatomerna i grafit är ordnade i lager; varje lager har starka bindningar som håller ihop det, men lagren binder inte starkt, och de kan lätt gnidas av varandra. Ren pyrolytisk grafit, där skikten alla är ordnade i samma plan, är ett extremt starkt, värmebeständigt material som används i miljöer med hög stress och hög temperatur. Grafit leder elektricitet och kan användas som moderator för kärnreaktorer.
Diamant, den andra naturliga kolallotropen, har en stel, sammankopplande kristallstruktur. Diamant är ett av de hårdaste ämnena som är kända och används inom industrin för att slipa och skära material. Transparensen och hållbarheten hos diamant gör den mycket uppskattad som en ädelsten, och smyckesbranschen har förvandlat diamantbrytning till en mångmiljardindustri. Diamant kan tillverkas syntetiskt av andra allotroper, men det kräver extremt höga temperaturer och tryck för att bildas.
Andra, mer exotiska allotroper inkluderar buckyballs, nanorör och kolnanoskum. Dessa förekommer naturligt i sot och har hittats i åtminstone en planetarisk nebulosa, även om de också kan skapas syntetiskt. Buckyballs är slutna, bollformade nätverk av kolatomer, som bildar sammankopplade pentagoner och hexagoner. Kolnanorör delar samma struktur som grafit, men istället för att ha en bunt med lager, lindas ett nanorör runt och binder med sig själv och bildar en lång cylinder. Kolnanorör har mycket hög draghållfasthet, vilket gör dem attraktiva som nya byggmaterial, även om de inte är lika starka under kompression.