Os átomos de carbono têm uma forte capacidade de ligação "química", podendo formar inúmeras estruturas através de três tipos de ligações químicas: simples, duplas e triplas. Apenas os átomos de carbono podem formar elementos de carbono completamente diferentes em estrutura e propriedades, como o diamante, o grafite, o grafeno, o C60 e os nanotubos de carbono. Estes elementos de carbono com a mesma composição, mas diferentes formas, são chamados de alotropos.
No cristal de diamante, cada átomo de carbono é rodeado por quatro átomos de carbono adjacentes, com os quais se liga por ligações covalentes, formando uma estrutura tetraédrica. Já o cristal de grafite tem uma estrutura em camadas, onde cada átomo de carbono se liga por ligações covalentes a três outros átomos de carbono, organizados em camadas hexagonais planas. O grafeno é uma camada única de grafite, que pode ser produzida artificialmente e tem inúmeras aplicações.
Qualquer elemento de carbono pode ser transformado em outras formas, como o Sun Wukong ("O Rei Macaco") nas suas 72 transformações. Através de métodos como o aquecimento e a recristalização a altas temperaturas, o carvão pode ser transformado em grafite; o grafite, por sua vez, pode ser transformado em diamante sob altas temperaturas e pressões; e, sob a ação de descargas elétricas, o grafite pode formar um ou vários átomos de carbono, que, se forem cultivados novamente, podem formar alotropos de carbono como o grafeno, o C60 e os nanotubos de carbono.
O C60 é uma molécula esférica feita de 60 átomos de carbono, semelhante a uma bola de futebol. Os cientistas também descobriram muitas substâncias monoatômicas de carbono, que existem em estruturas esféricas, elípticas ou tubulares. Estas estruturas são tão estranhas que parecem edifícios bem desenhados, pelo que foram nomeadas em homenagem ao arquiteto Fuller, como fulerenos. As moléculas cilíndricas ou tubulares são chamadas de nanotubos de carbono ou tubos de Bucky.