炭素はすべての有機生命と現代材料科学の中心元素である。常温では黒鉛、ダイヤモンド、非晶質炭素、フラーレンとして存在し、極めて軟らかいものから極めて硬いものまで大きな幅をもち、密度は約 1.8 g/cm³（非晶質炭素）から 3.5 g/cm³（ダイヤモンド）に及ぶ。最も基本的で最大の工業的役割は鋼中の合金元素としてのものである。銑鉄と鋼の違いは本質的に炭素含有量の違いであり、炭素が多いほど鋼は硬く、少ないほど靭性が高くなる。製鋼とは、要するに銑鉄から余分な炭素を酸化除去して精密に制御する工程である。鋼以外でも、炭素はコークス、石炭、カーボンブラックの形で冶金、化学、ゴムの全産業にエネルギーと補強材を供給している。
エネルギー分野では、黒鉛はリチウムイオン電池やナトリウム硫黄電池の主要な負極材料であり、容量とサイクル寿命を決める。活性炭はその巨大な比表面積を活かして水処理、防毒マスク、排ガス浄化、食品の脱色に使われる。炭素繊維は比強度が鋼をはるかに上回り、風力タービンのブレード、航空機の胴体、自転車のフレーム、圧力容器に使われ、軽量化の最先端を代表する例となっている。ダイヤモンドは天然で最も硬い材料で、切削工具、研削砥石、ドリルビット、高精度ダイスに用いられる。合成ダイヤモンドと立方晶窒化ホウ素は、現代の機械加工と石材加工の基盤となる工具材料となっている。日常生活では、鉛筆の芯、乾電池、バーベキュー用の炭、印刷インキ、タイヤトレッドのカーボンブラックが炭素に依存している。
二酸化炭素（CO2）は炭酸ガスとも呼ばれ、炭酸飲料、消火器、溶接のシールドガス、温室での炭酸ガス施肥に広く使われる。ドライアイスはコールドチェーン輸送、舞台の霧、金型洗浄に用いられ、この気体は地球規模の気候変動の議論の中心にある。一酸化炭素（CO）は水性ガスや発生炉ガスの主な可燃成分で、冶金では鉄鉱石、銅鉱石、ニッケル鉱石の重要な還元剤として働き、メタノール、ホスゲン、各種カルボニル合成の原料でもある。炭酸カルシウム（CaCO3）は石灰岩、大理石、方解石として知られ、セメント、ガラス、生石灰の主要原料であり、紙、プラスチック、塗料では安価で大量に使われる無機フィラーでもある。炭酸ナトリウム（Na2CO3）はソーダ灰とも呼ばれ、ガラス製造、パルプ蒸解、石けん・洗剤、排水処理で最も大量に使われるアルカリ化学品の一つである。
