Kohlenstoffatome besitzen eine sehr starke Fähigkeit zur „chemischen Verbindung“ und können durch drei verschiedene chemische Bindungen, nämlich Einfach-, Doppel- und Dreifachbindungen, viele verschiedene Strukturen bilden. Allein aus Kohlenstoffatomen können verschiedene Kohlenstoffverbindungen mit völlig unterschiedlichen Strukturen und Eigenschaften gebildet werden, wie Diamant, Graphit, Graphen, Kohlenstoff-60 und Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Diese verschiedenen Formen ein und desselben Elements werden als Polymorphe bezeichnet.
Im Kristallgitter von Diamant ist jedes Kohlenstoffatom von vier benachbarten Kohlenstoffatomen umgeben und durch kovalente Bindungen mit diesen vier Kohlenstoffatomen zu einem regelmäßigen Tetraeder verbunden. Die Kristallstruktur von Graphit ist schichtförmig. In jeder Schicht ist jedes Kohlenstoffatom durch kovalente Bindungen mit drei anderen Kohlenstoffatomen verbunden und bildet eine flache sechseckige Schicht. Graphen ist eine einzelne Schicht aus Graphit, die heute künstlich hergestellt werden kann und eine Vielzahl von Anwendungen findet.
Jede Kohlenstoffverbindung kann unter von Menschen geschaffenen Bedingungen wie Son Gokus „72 Verwandlungen“ durchlaufen. Durch Erhitzen und Hochtemperaturrekristallisation kann Holzkohle in Graphit umgewandelt werden; Graphit kann unter hohen Temperaturen und Drücken in Diamant umgewandelt werden; unter dem Einfluss von Lichtbogenentladungen kann Graphit einzelne oder mehrere Kohlenstoffatome bilden, die unter verschiedenen Bedingungen zu Graphen, Kohlenstoff-60 oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen wachsen können.
Kohlenstoff-60 ist ein geschlossenes Käfigmolekül aus 60 Kohlenstoffatomen, das wie ein Fußball geformt ist. Wissenschaftler haben auch viele andere aus Kohlenstoff bestehende Einzelverbindungen entdeckt, die in kugelförmiger, ovaler oder röhrenförmiger Struktur vorliegen. Diese Materialien weisen bizarre Strukturen auf, wie zum Beispiel ausgeklügelte Gebäude, und wurden nach dem Architekten Buckminster Fuller benannt, nämlich Fullerene. Die röhren- oder zylinderförmigen Moleküle werden auch als Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder Buckminsterfullerene bezeichnet.