碳
所有碳同位素的原子都有6顆質子，但中子數各異（從2到16顆不等）。碳有兩個自然存在的穩定同位素：碳-12（^12C）佔地球上碳的98.93%，而碳-13（^13C）則佔剩餘的1.07%。生物體中^12C同位素的比率更高，因為生物化學反應會選擇性地消除^13C。1961年，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）決定以碳-12同位素作為原子量單位的定義標準。核磁共振所探測的就是^13C。
碳族元素
碳有很多的同素异形体。 最常见的是石墨，由碳以层状结构排列而成。 另外一种碳的同素异形体是钻石，不过它相对罕见。 无定形碳 是碳的第三种同素异形体，存在于煤烟中。 碳还有一种叫做富勒烯的同素异形体，由很多碳原子折成球体而成。第五种碳同素异形体于 2003年被发现，它就是石墨烯，由一层碳原子以类似蜂窝的六边形结构排列。