Karbon atomları, allotroplar adı verilen farklı fiziksel formlarda bulunabilir. Başlıca karbon allotropları: Grafit: Karbon atomları, üst üste yığılmış geniş, yassı levhalar oluşturacak biçimde iki boyutlu düzlemde birbirine bağlıdır. Elmas: Her karbon atomu, dört başka karbon atomuna bağlanarak üç boyutlu katı bir yapı oluşturur. Fullerenler: Karbon atomları, beşgen, altıgen ve yedigen halkalar olarak yer alır. Amorf karbon: Belirgin bir yapısı veya biçimi olmayan karbon. Grafen: Petek şeklinde düzenlenmiş tek karbon atomlarından oluşan düz bir yapı. Ayrıca, siklokarbon gibi daha az yaygın olan ve laboratuvar koşullarında oluşturulan diğer karbon allotropları da vardır.