Le carbone est l'élément central de toute vie organique et de la science des matériaux moderne. À température ambiante, il existe sous forme de graphite, de diamant, de carbone amorphe et de fullerènes, couvrant une gamme énorme allant de l'extrêmement tendre à l'extrêmement dur, avec des masses volumiques comprises entre environ 1,8 g/cm³ (carbone amorphe) et 3,5 g/cm³ (diamant). Son rôle industriel le plus fondamental et le plus important est celui d'élément d'alliage de l'acier : la différence entre la fonte brute et l'acier tient essentiellement à la teneur en carbone, plus celle-ci est élevée plus l'acier est dur, plus elle est faible plus il est tenace ; l'élaboration de l'acier consiste donc, par essence, à éliminer par oxydation contrôlée l'excès de carbone de la fonte. Au-delà de l'acier, le carbone fournit énergie et renfort à toute la métallurgie, à la chimie et à l'industrie du caoutchouc sous forme de coke, de charbon et de noir de carbone.
Dans le domaine de l'énergie, le graphite est le matériau d'anode dominant des batteries lithium-ion et sodium-soufre et détermine leur capacité et leur durée de cyclage. Le charbon actif, grâce à sa surface spécifique énorme, est employé dans le traitement de l'eau, les masques à gaz, l'épuration des fumées et la décoloration alimentaire. La fibre de carbone offre une résistance spécifique très supérieure à celle de l'acier ; on la trouve dans les pales d'éoliennes, les fuselages d'avion, les cadres de vélo et les réservoirs sous pression, exemple emblématique de l'allègement haut de gamme. Le diamant est le matériau naturel le plus dur et sert aux outils de coupe, aux meules, aux trépans de forage et aux filières de tréfilage de haute précision ; le diamant synthétique et le nitrure de bore cubique sont devenus des matériaux d'outillage fondamentaux pour l'usinage et le travail de la pierre modernes. Au quotidien, les mines de crayon, les piles sèches, le charbon de barbecue, les encres d'imprimerie et le noir de carbone des bandes de roulement des pneus en dépendent tous.
Le dioxyde de carbone (CO2), ou gaz carbonique, est largement utilisé dans les boissons gazeuses, les extincteurs, les gaz de protection pour le soudage et la fertilisation sous serre ; la glace carbonique sert au transport en chaîne du froid, aux brouillards de scène et au nettoyage des moules, et ce gaz se trouve au cœur des discussions mondiales sur le climat. Le monoxyde de carbone (CO) est le principal constituant combustible du gaz à l'eau et du gaz de gazogène ; il est un réducteur important des minerais de fer, de cuivre et de nickel en métallurgie, et la matière première du méthanol, du phosgène et de nombreuses synthèses carbonylées. Le carbonate de calcium (CaCO3), connu sous les noms de calcaire, de marbre et de calcite, est la matière première principale du ciment, du verre et de la chaux vive ; c'est aussi une charge minérale bon marché et très utilisée dans le papier, les plastiques et les revêtements. Le carbonate de sodium (Na2CO3), ou carbonate de soude, est l'un des produits chimiques alcalins les plus consommés dans la fabrication du verre, la cuisson des pâtes à papier, les savons et détergents, et le traitement des eaux usées.
