金刚石是典型的原子晶体,在这种晶体中的基本结构微粒是碳原子.每个碳原子都以 sp3杂化轨道与四个碳原子形成共价单键,键长为15.5nm,键角为109°28′,构成正四面体.每个碳原子位于正四面体的中心,周围四个碳原子位于四个顶点上,在空间构成连续的、坚固的骨架结构.因此,可以把整个晶体看成为一个巨大的分子.由于C—C键的键能大（为347kJ/mol）,价电子都参与了共价键的形成,使晶体中没有自由电子,所以金刚石是自然界中最坚硬的固体,熔点高达3550℃,并且不导电.
石墨晶体是属于混合键型的晶体.石墨中的碳原子用sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子以σ键结合,形成正六角形蜂巢状的平面层状结构,而每个碳原子还有一个2p轨道,其中有一个2p电子.这些p轨道又都互相平行,并垂直于碳原子sp2杂化轨道构成的平面,形成了大π键.因而这些π电子可以在整个碳原子平面上活动,类似金属键的性质.而平面结构的层与层之间则依靠分子间力（范德华力）结合起来；形成石墨晶体.石墨有金属光泽,在层平面方向有很好的导电性质.由于层间的分子间作用力弱,因此石墨晶体的层与层间容易滑动,工业上用石墨作固体润滑剂.