Diamant a grafit jsou oba přidělení uhlíku. Ačkoli jsou oba složeny z atomů uhlíku, jejich atomová organizace je zcela odlišná. Když atom uhlíku tvoří kovalentní vazby s okolními atomy uhlíku, existují dvě různé útvary vazby. V diamantu jsou atomy uhlíku uspořádány v běžném tetrahedrálním vzoru, zatímco v grafitu jsou atomy uhlíku uspořádány v hexagonálních vrstvách.
Na konci 18. století Lavoisier identifikoval diamant jako krystalickou formu uhlíku, ale krystalová struktura diamantu byla poprvé určena Braggem v roce 1913. Ozároval diamant rentgenovým paprskem a získal fotografii rentgenového difrakčního vzoru krystalové mřížky, což prokazuje krystalické vlastnosti diamantu.
Kromě tetrahedronů zahrnují přírodní diamanty také kostky (CD), hexahedrony (HD), oktaedrony (OD) a dodecahedrons. Atomy uhlíku, které tvoří diamantový krystal, jsou kovalentně vázány, s délkou vazby stejné délky, 0,15 nm. Diamant je anizotropní, což znamená, že mnoho z jeho vlastností je směrově závislé.
V tetrahedron mají atomy uhlíku ve středu symetrie slabší vazby, díky čemuž je diamant náchylný k štěpení. V typických krystalových plochách diamantu a šupinaté struktuře grafitu mají uhlíkové vazby v grafitových listech délku 0,142 nm, což je velmi silné. Vazby mezi listy jsou však dlouhé pouze 0,335 nm, takže tyto dlouhé vazby jsou velmi slabé. To dává grafitu vynikající mazivost. Diamantové krystaly se skládají z atomů uhlíku, které jsou drženy pohromadě kovalentními vazbami.