Kohlenstoff ist das zentrale Element allen organischen Lebens und der modernen Materialwissenschaft. Bei Raumtemperatur kommt er als Graphit, Diamant, amorpher Kohlenstoff und Fullerene vor und umspannt einen enormen Bereich von extrem weich bis extrem hart, mit Dichten von etwa 1,8 g/cm³ (amorpher Kohlenstoff) bis 3,5 g/cm³ (Diamant). Seine grundlegendste und größte industrielle Rolle ist die als Legierungselement im Stahl: Der Unterschied zwischen Roheisen und Stahl besteht im Wesentlichen im Kohlenstoffgehalt – je höher der Kohlenstoffgehalt, desto härter der Stahl, und je niedriger, desto zäher –, sodass die Stahlerzeugung im Kern die kontrollierte oxidative Entfernung überschüssigen Kohlenstoffs aus dem Roheisen ist. Über den Stahl hinaus liefert Kohlenstoff in Form von Koks, Kohle und Ruß Energie und Verstärkung für die gesamte Metallurgie, Chemie und Kautschukindustrie.
In der Energietechnik ist Graphit das dominierende Anodenmaterial in Lithium-Ionen- und Natrium-Schwefel-Batterien und bestimmt deren Kapazität und Zyklenlebensdauer. Aktivkohle wird dank ihrer enormen spezifischen Oberfläche in der Wasseraufbereitung, in Gasmasken, der Rauchgasreinigung und der Lebensmittelentfärbung eingesetzt. Kohlenstofffasern bieten eine spezifische Festigkeit weit über der von Stahl und werden in Rotorblättern von Windkraftanlagen, Flugzeugrümpfen, Fahrradrahmen und Druckbehältern verwendet, als Paradebeispiel hochwertiger Leichtbauweise. Diamant ist das härteste natürliche Material und wird in Schneidwerkzeugen, Schleifscheiben, Bohrmeißeln und hochpräzisen Drahtziehsteinen eingesetzt; synthetischer Diamant und kubisches Bornitrid sind zu grundlegenden Werkzeugmaterialien der modernen Zerspanung und Steinbearbeitung geworden. Im Alltag hängen Bleistiftminen, Trockenbatterien, Grillkohle, Druckfarben und der Ruß in Reifenlaufflächen davon ab.
Kohlendioxid (CO2), auch Kohlensäuregas, wird breit in kohlensäurehaltigen Getränken, Feuerlöschern, Schweißschutzgas und als Düngung im Gewächshaus eingesetzt; Trockeneis dient dem Kühlketten-Transport, der Bühnentechnik und der Formenreinigung, und das Gas steht im Zentrum der globalen Klimadebatte. Kohlenmonoxid (CO) ist der wichtigste brennbare Bestandteil von Wassergas und Generatorgas, dient in der Metallurgie als wichtiges Reduktionsmittel für Eisen-, Kupfer- und Nickelerze und ist Rohstoff für Methanol, Phosgen und viele Carbonylsynthesen. Calciumcarbonat (CaCO3), bekannt als Kalkstein, Marmor und Calcit, ist der wichtigste Rohstoff für Zement, Glas und Branntkalk und zugleich ein billiger, in großen Mengen eingesetzter anorganischer Füllstoff in Papier, Kunststoffen und Beschichtungen. Natriumcarbonat (Na2CO3), also Soda, ist eine der am stärksten genutzten alkalischen Chemikalien in der Glasherstellung, beim Zellstoffkochen, in Seifen und Waschmitteln sowie in der Abwasserbehandlung.
