Ugljik, zbog svojih jedinstvenih svojstava kemijske veze, ima najstabilnije alotrope od svih elemenata. Neki alotropi ugljika, kao što su grafit i dijamant, javljaju se prirodno; druge, kao što su nanocijevi, moraju se proizvesti u laboratoriju. Obilje i svestranost ugljika čine ga jednim od najviše proučavanih materijala u istraživanju nanotehnologije, a njegovi alotropi imaju širok raspon korisnih svojstava, kao što su visoka vlačna čvrstoća i visoke točke taljenja.
Amorfni ugljik i grafit su dva najčešća alotropa i čine većinu prirodnih spojeva ugljika kao što su ugljen i čađa. Amorfni ugljik nema posebnu kristalnu strukturu, kao većina naočala. Atomi ugljika u grafitu su raspoređeni u slojevima; svaki sloj ima jake veze koje ga drže zajedno, ali slojevi se ne vežu jako i lako se mogu otrljati jedan s drugog. Čisti pirolitički grafit, gdje su svi slojevi raspoređeni u istoj ravnini, izuzetno je jak materijal otporan na toplinu koji se koristi u okruženjima s visokim stresom i visokim temperaturama. Grafit provodi struju i može se koristiti kao moderator za nuklearne reaktore.
Dijamant, drugi prirodni alotrop ugljika, ima krutu, isprepletenu kristalnu strukturu. Dijamant je jedna od najtvrđih poznatih tvari, a koristi se u industriji za mljevenje i rezanje materijala. Transparentnost i trajnost dijamanta čine ga vrlo cijenjenim kao dragi kamen, a posao s nakitom pretvorio je rudarenje dijamanata u industriju vrijednu više milijardi dolara. Dijamant se može sintetički proizvesti iz drugih alotropa, ali za njegovo stvaranje su potrebne iznimno visoke temperature i tlakovi.
Drugi, egzotičniji alotropi uključuju buckyballs, nanocijevi i ugljičnu nanopjenu. Oni se prirodno javljaju u čađi i pronađeni su u barem jednoj planetarnoj maglici, iako se mogu stvoriti i sintetički. Buckyballs su zatvorene mreže ugljikovih atoma u obliku kugle, koje tvore međusobno povezane peterokute i šesterokute. Ugljične nanocijevi dijele istu strukturu kao i grafit, ali umjesto da imaju hrpu slojeva, nanocijev se omota i veže sama sa sobom, tvoreći dugi cilindar. Ugljične nanocijevi imaju vrlo visoku vlačnu čvrstoću, što ih čini privlačnim kao novi građevinski materijali, iako nisu ni približno tako jake pod kompresijom.