Kulstof har mere end ti velkendte allotroper, herunder to fullerener, fire enkeltvæggede nanorør og tre typer grafen samt amorft kulstof og kønrøg. Men de vigtigste allotroper er kun to:grafit og diamant. Begge allotroper består udelukkende af carbonatomer. Den vigtigste strukturelle forskel, der giver grafit og diamant vidt forskellige egenskaber, ligger i den måde, disse carbonatomer binder på.