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個碳原子通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個碳原子通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。
