雖然金剛石和石墨都是由碳原子組成，但由於碳原子的排列順序不同，所以金剛石和石墨物理性質不同。金剛石是立方晶體結構，在金剛石晶體中，每個碳原子都以SP3雜化軌道與另外4個碳原子形成共價鍵，構成正四面體。由於金剛石中的碳碳鍵很強，所以金剛石硬度大，熔點極高;又因為所有的價電子都被限制在共價鍵區域，沒有自由電子，所以金剛石不導電。石墨全部以sp2雜化軌道和鄰近的三個碳原子形成三個共價單鍵並排列成平面六角的網狀結構，這些網狀結構以范德瓦耳斯力聯成互相平行的平面，構成層片結構，屬六方晶系，具完整的層狀解理。解理面以分子鍵為主，對分子吸引力較弱，故其天然可浮性很好。但是，由於同一平面層上的碳原子間結合很強，極難破壞，所以石墨的溶點也很高，化學性質也穩定。
1、金剛石和石墨的化學性質不相同，石墨和金剛石都是C的單質,但化學性質上是有差異的。
2、金剛石和石墨的性質不同的原因是原子排布不同。金剛石是四面體結構的，很穩定，而且各個原子間的鍵長相等，各原子的電子層穩定，不導電。而石墨是層狀的，層與層之間的鍵長相對同一層之間要長，所以強度較低，電子層相對不穩定，導電。
3、金剛石的結構性質。金剛石結構分為等軸晶系四面六面體立方體與六方晶系鑽石。在鑽石晶體中，碳原子按四面體成鍵方式互相連線，組成無限的三維骨架，是典型的原子晶體。每個碳原子都以SP3雜化軌道與另外4個碳原子形成共價鍵，構成正四面體。由於鑽石中的C-C鍵很強，所以所有的價電子都參與了共價鍵的形成，沒有自由電子，所以鑽石不僅硬度大，熔點極高，而且不導電。在工業上，鑽石主要用於製造鑽探用的探頭和磨削工具，形狀完整的還用於製造手飾等高檔裝飾品，其價格十分昂貴。鑽石的摩氏硬度為10；由於在自然界物質中硬度最高，鑽石的切削和加工必須使用鑽石粉來進行。鑽石的密度為3.52g/cm3，折射率為2.417，色散率為0.044。
4、石墨的性質特徵。常溫下單質碳的化學性質比較穩定，不溶於水、稀酸、稀鹼和有機溶劑；高溫下與氧反應燃燒，生成二氧化碳或一氧化碳；在鹵素中只有氟能與單質碳直接反應；在加熱下，單質碳較易被酸氧化；在高溫下，碳還能與許多金屬反應，生成金屬碳化物。碳具有還原性，在高溫下可以冶煉金屬。此外，近年的研究發現，石墨可以被氯磺酸溶解，形成單層石墨烯的氯磺酸“溶液”。石墨是碳質元素結晶礦物，它的結晶格架為六邊形層狀結構。每一網層間的距離為340pm，同一網層中碳原子的間距為142pm;。屬六方晶系，具完整的層狀解理。解理面以分子鍵為主，對分子吸引力較弱，故其天然可浮性很好。
金剛石和石墨不是同分異構體，金剛石和石墨屬於同素異形體。同分異構體指的是分子式相同的但結構不同的物質,而同素異形體指的是組成元素相同但形態不同的單質。
石墨是層狀的結構，就一個片層而言，每1個碳原子會與其周圍的3個碳原子透過強烈的相互作用緊密結合，“緊密結合”的兩個碳原子之間的距離約為0.142nm。在石墨中層與層之間相距為0.335nm，由於距離比較大，碳原子的相互作用較弱，因此很容易沿著與層面平行的方向滑動、裂解，所以石墨很軟、有滑膩感。
金剛石的結構模型是每個碳原子都與周圍的4個碳原子透過強烈的相互作用緊密結合。“緊密結合”的兩個碳原子之間的距離約為0.155nm，從而形成緻密的三維結構，正是這種緻密的結構，使得金剛石成為天然存在的最堅硬的物質。