Gli atomi di carbonio realizzano diversi tipi di legami formando sostanze che, pur avendo la stessa composizione elementare, presentano proprietà differenti. Il diamante, che vanta il massimo valore di durezza, è costituito da una rete tridimensionale di atomi di carbonio fortemente legati. Nella grafite, invece, gli atomi sono disposti su una struttura a strati esagonali debolmente legati e quindi facilmente sfaldabili. Altre forme allotropiche del carbonio sono i fullereni, in cui gli atomi sono distribuiti su superfici sferiche o cilindriche. Nel buckminsterfullerene ad esempio, 60 atomi di carbonio formano un solido a 32 facce (20 esagoni e 12 pentagoni).