对原子来说，最外层电子数小于4的，容易失去电子，最外层电子数大于4的，容易得到电子。而碳原子只有两层，最外层电子不多不少恰好4个，与其他元素结合时可以形成4个化学共价键，比其他族元素都多。它可以与一个、两个、三个、四个原子结合，组成上千万种化合物，结构十分的稳定。碳是自然界已知化合物最多的元素。你可能会问，“硅”最外层不也是四个吗？是的。但是“硅”有三层核外电子，核对最外层电子的束缚要弱多了，能组成的化合物也要少得多，稳定性也要差得多。
在自然界中，碳元素能形成多种单质和千万种化合物。先说说碳单质，常见的碳单质有多种，比如，金刚石、石墨、C60、碳纳米管等。它们都是碳，但是结构不同，物理性质也是大相径庭，叫做同素异性体。石墨就非常的软，但金刚石却是自然界中最坚硬矿物质，更不用说堪称世界上最强的材料石墨烯了。
有机物是生命产生的物质基础，有机物都是以碳为骨架构成。所有的生命体都含有机化合物，如氨基酸、脂肪、蛋白质、糖、血红素等等。大多数有机化合物中，碳原子以单键或双键或叁键彼此连接形成长链，每个单体都以若干个相连的碳原子构成基本骨架，多个单体连接成多聚体，形成各种生物大分子。比如氨基酸就是以碳元素为基础的碳链，DNA的组成单位脱氧核苷酸，也是长长的碳链，因此，我们地球生物也称为碳基生物。