碳材料是一類具有獨特物理、化學性質的物質，根據其結構和應用，可以分爲以下幾類：
石墨和石墨烯。石墨是一種層狀結構的碳材料，層內碳原子以σ鍵和一箇大π鍵相連，層間聯繫較弱。石墨烯是從石墨中剝離出的單層碳原子結構，具有優異的光學、電學、力學和熱學特性。
金剛石。金剛石是天然存在的碳元素，是世界上最硬的材料之一，以其高硬度、高熱導率著稱，應用於切削工具、磨料等領域。
碳纖維。碳纖維是一種高強度、高模量的纖維材料，由聚丙烯等有機高分子材料經高溫炭化得到，具有輕質、耐腐蝕、抗疲勞等特點，廣泛應用於航空航天、汽車、體育器材等領域。
碳納米管。碳納米管是一種具有管狀結構的碳材料，分爲單壁和多壁，具有極高的比表面積和強度，應用於電子、化學傳感器、微電子學等領域。
活性炭。活性炭是一種多孔的碳材料，具有極高的比表面積，能夠吸附氣體、液體等物質，常用於淨水、淨化空氣、脫除工業廢氣中的有害氣體等環保領域。
炭黑和焦炭。這些是由有機物在高溫下熱解後得到的一種碳材料，通常具有多孔、高比表面積等特性，應用於吸附材料、防腐塗料、熱障塗層等。
富勒烯。以C60爲代表的富勒烯是空心球形構型，由12個正五邊形和20個正六邊形組成的三十二面體，應用於材料科學和納米技術領域。
此外，還有碳化硅和咔賓等。這些碳材料以其獨特的物理、化學性質在多箇行業得到廣泛應用。