Element ugljik je nemetalni materijal koji sadrži šest elektrona. Drveni ugljen, oblik ugljika, koristi se od prapovijesti. Naziv ugljik dolazi od latinske riječi carbo što znači drveni ugljen. Ugljik se može naći u organskim materijalima kao što su biljke i životinje, te u anorganskim materijalima kao što su minerali i rude. Elementarni ugljik odnosi se na anorganske oblike ugljika koji se mogu naći u kristalnim i amorfnim oblicima.
Kristalni oblici imaju elementarne atome ugljika raspoređene u pravilnom uzorku, dok atomi ugljika u amorfnim oblicima nemaju pravilne uzorke. Dva kristalna oblika elementarnog ugljika su dijamanti i grafit. Kristalnu strukturu dijamanta formira svaki atom ugljika stvarajući kovalentnu vezu dijeljenjem para elektrona s četiri druga ugljikova atoma. Kovalentne veze su najjače kemijske veze poznate čovječanstvu. Dijamanti su najtvrđe poznate tvari i najmanje hlapljive s točkom taljenja od 6,242°F (3,550°C).
Kristalnu strukturu grafita tvore atomi ugljika koji stvaraju čvrste heksagonalne veze s drugim atomima u istoj ravnini i labaviju vezu između atoma u različitim ravninama. Labava veza između ravnina čini grafit vrlo mekim i omogućuje da se grafit koristi kao mazivo. Za razliku od dijamanata, grafit je dobar električni provodnik.
Prije 1955. svi dijamanti potječu iz prirodnih naslaga. 1955. laboratorijska ispitivanja su pokazala da primjena visokog tlaka i temperature na grafit u prisutnosti katalizatora može stvoriti sintetičke dijamante. Sintetički dijamanti uglavnom se koriste u industrijske svrhe.
Amorfni ugljik nastaje kada se materijal koji sadrži ugljik izgori bez dovoljno kisika da omogući potpuno izgaranje. Nastali crni ugljik može se koristiti za stvaranje jezgri baterija sa suhim ćelijama, tinte, boja i kritičan je element u proizvodnji gumenih proizvoda. Crni ugljik također je nusproizvod šumskih požara i nedovoljnog izgaranja goriva u automobilima, proizvodnim pogonima i proizvodnji električne energije na bazi ugljena. Dizelsko gorivo stvara više crnog ugljika nego benzin tijekom izgaranja. Crni ugljik može uzrokovati zdravstvene i ekološke probleme.
Fine čestice koje mogu uzrokovati zdravstvene probleme je amorfni elementarni ugljik. Astma i kronični bronhitis povezani su s crnim ugljikom, a postoje neki dokazi da crni ugljik ili čađa mogu povećati rizik od emfizema i raka pluća. Crni ugljik također je čimbenik klimatskih promjena. Budući da crni ugljik ostaje u atmosferi tjednima, a ne stoljeće kao ugljični dioksid, smanjenje emisije čađe smatra se jednim od najbržih načina za moguće smanjenje učinaka globalnih klimatskih promjena.