虽然金刚石和石墨都是由碳原子组成，但由于碳原子的排列顺序不同，所以金刚石和石墨物理性质不同。金刚石是立方晶体结构，在金刚石晶体中，每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体。由于金刚石中的碳碳键很强，所以金刚石硬度大，熔点极高;又因为所有的价电子都被限制在共价键区域，没有自由电子，所以金刚石不导电。石墨全部以sp2杂化轨道和邻近的三个碳原子形成三个共价单键并排列成平面六角的网状结构，这些网状结构以范德瓦耳斯力联成互相平行的平面，构成层片结构，属六方晶系，具完整的层状解理。解理面以分子键为主，对分子吸引力较弱，故其天然可浮性很好。但是，由于同一平面层上的碳原子间结合很强，极难破坏，所以石墨的溶点也很高，化学性质也稳定。