Ogljik ima zaradi svojih edinstvenih lastnosti kemične vezi najbolj stabilne alotrope vseh elementov. Nekateri alotropi ogljika, kot sta grafit in diamant, se pojavljajo naravno; druge, kot so nanocevke, je treba izdelati v laboratoriju. Obilje in vsestranskost ogljika ga uvršča med najbolj raziskane materiale v raziskavah nanotehnologije, njegovi alotropi pa imajo široko paleto uporabnih lastnosti, kot so visoka natezna trdnost in visoke tališče.
Amorfni ogljik in grafit sta dva najpogostejša alotropa in sestavljata večino naravnih ogljikovih spojin, kot sta premog in saje. Amorfni ogljik nima posebne kristalne strukture, kot večina stekel. Ogljikovi atomi v grafitu so razporejeni po plasteh; vsaka plast ima močne vezi, ki jo držijo skupaj, vendar se plasti ne vežejo močno in se zlahka zdrgnejo drug z drugega. Čisti pirolitični grafit, kjer so vse plasti razporejene v isti ravnini, je izredno močan, toplotno odporen material, ki se uporablja v visoko obremenjenih in visokotemperaturnih okoljih. Grafit prevaja elektriko in se lahko uporablja kot moderator za jedrske reaktorje.
Diamant, drugi naravni alotrop ogljika, ima togo, prepleteno kristalno strukturo. Diamant je ena najtrših znanih snovi in se uporablja v industriji za brušenje in rezanje materialov. Zaradi preglednosti in trajnosti je diamanti zelo cenjen kot dragi kamen, posel z nakitom pa je rudarjenje diamantov spremenil v industrijo, vredno več milijard dolarjev. Diamant je mogoče sintetično izdelati iz drugih alotropov, vendar za tvorbo zahteva izredno visoke temperature in pritiske.
Drugi, bolj eksotični alotropi vključujejo buckyballs, nanocevke in ogljikovo nanopeno. Ti se naravno pojavljajo v sajah in so bili najdeni v vsaj eni planetarni meglici, čeprav jih je mogoče ustvariti tudi sintetično. Buckyballs so zaprta kroglasta mreža ogljikovih atomov, ki tvorijo prepletene peterokotnike in šesterokotnike. Ogljikove nanocevke imajo enako strukturo kot grafit, vendar se nanocevka namesto kupov plasti ovije in veže sama s seboj ter tvori dolg cilinder. Ogljikove nanocevke imajo zelo visoko natezno trdnost, zaradi česar so privlačne kot novi gradbeni materiali, čeprav pri stiskanju niso niti približno tako močne.