Kohlenstoff hat aufgrund seiner einzigartigen chemischen Bindungseigenschaften die stabilsten Allotrope aller Elemente. Einige Allotrope von Kohlenstoff, wie Graphit und Diamant, kommen natürlich vor; andere, wie Nanoröhren, müssen im Labor hergestellt werden. Die Fülle und Vielseitigkeit von Kohlenstoff machen ihn zu einem der am besten untersuchten Materialien in der Nanotechnologieforschung, und seine Allotrope haben eine breite Palette nützlicher Eigenschaften, wie z. B. hohe Zugfestigkeit und hohe Schmelzpunkte.
Amorpher Kohlenstoff und Graphit sind die beiden häufigsten Allotrope und bilden den Großteil der natürlichen Kohlenstoffverbindungen wie Kohle und Ruß. Amorpher Kohlenstoff hat wie die meisten Gläser keine besondere Kristallstruktur. Die Kohlenstoffatome im Graphit sind in Schichten angeordnet; Jede Schicht hat starke Bindungen, die sie zusammenhalten, aber die Schichten verbinden sich nicht stark und können leicht aneinander abgerieben werden. Reiner pyrolytischer Graphit, bei dem alle Schichten in derselben Ebene angeordnet sind, ist ein extrem starkes, hitzebeständiges Material, das in Umgebungen mit hoher Belastung und hoher Temperatur verwendet wird. Graphit leitet Strom und kann als Moderator für Kernreaktoren verwendet werden.
Diamant, das andere natürliche Kohlenstoffallotrop, hat eine starre, ineinandergreifende Kristallstruktur. Diamant ist eine der härtesten bekannten Substanzen und wird in der Industrie zum Schleifen und Trennen von Materialien verwendet. Die Transparenz und Haltbarkeit von Diamant machen ihn als Edelstein hoch geschätzt, und das Schmuckgeschäft hat den Diamantenabbau zu einer Multi-Milliarden-Dollar-Industrie gemacht. Diamant kann aus anderen Allotropen synthetisch hergestellt werden, erfordert jedoch extrem hohe Temperaturen und Drücke, um sich zu bilden.
Andere, exotischere Allotrope sind Buckyballs, Nanotubes und Carbon Nanofoam. Diese kommen natürlicherweise im Ruß vor und wurden in mindestens einem planetarischen Nebel gefunden, können aber auch synthetisch hergestellt werden. Buckyballs sind geschlossene, kugelförmige Netzwerke aus Kohlenstoffatomen, die ineinandergreifende Fünf- und Sechsecke bilden. Kohlenstoff-Nanoröhrchen haben die gleiche Struktur wie Graphit, aber anstatt einen Stapel von Schichten zu haben, wickelt sich eine Nanoröhre um und verbindet sich mit sich selbst und bildet einen langen Zylinder. Kohlenstoff-Nanoröhrchen haben eine sehr hohe Zugfestigkeit, was sie als neue Baumaterialien attraktiv macht, obwohl sie unter Druck nicht annähernd so stark sind.