Gli atomi di carbonio hanno una forte capacità di legame "chimico", in grado di formare molte strutture diverse attraverso tre tipi di legami chimici: singolo, doppio e triplo. I soli atomi di carbonio possono formare sostanze semplici con strutture e proprietà completamente diverse, come il diamante, la grafite, il grafene, il fullereno C60 e i nanotubi di carbonio. Queste diverse forme di una stessa sostanza, composte dagli stessi elementi, sono chiamate polimorfi.
Nel cristallo di diamante, ogni atomo di carbonio è circondato da quattro atomi adiacenti, con i quali è legato mediante legami covalenti in una struttura tetraedrica. La grafite, invece, ha una struttura a strati: in ogni strato, ogni atomo di carbonio è legato mediante legami covalenti a tre altri atomi, disposti in uno strato esagonale piatto. Il grafene è una monostrato di grafite, che può essere prodotto artificialmente e ha molteplici applicazioni.
Ogni forma di carbonio può trasformarsi in un'altra in condizioni create dall'uomo, proprio come Sun Wukong può trasformarsi in 72 forme diverse. Il carbone può essere trasformato in grafite mediante riscaldamento e ricristallizzazione ad alta temperatura; la grafite, a sua volta, può trasformarsi in diamante sotto alte temperature e pressioni; sotto l'azione di scariche elettriche, la grafite può formare singoli o numerosi atomi di carbonio, che, se fatti crescere in condizioni diverse, possono formare polimorfi del carbonio come il grafene, il fullereno C60 e i nanotubi di carbonio.
Il fullereno C60 è un molecola a forma di gabbia chiusa composta da 60 atomi di carbonio, proprio come un pallone da calcio. Gli scienziati hanno anche scoperto molte sostanze semplici composte da carbonio, presenti in strutture sferiche, ellittiche o tubolari. Queste strutture sono così strane da sembrare edifici progettati con grande maestria, motivo per cui sono state chiamate fullereni in onore del maestro dell'architettura Buckminster Fuller. Le molecole a forma di colonna o tubolare sono chiamate nanotubi di carbonio o tubi di Buckminster Fuller.