Diamant in grafit sta alotropi ogljika. Čeprav sta oba sestavljena iz ogljikovih atomov, je njihova atomska organizacija popolnoma drugačna. Ko ogljikov atom tvori kovalentne vezi z okoliškimi ogljikovimi atomi, obstajata dve različni tvorbi vezi. V diamantu so ogljikovi atomi razporejeni v običajnem tetraedrskem vzorcu, v grafitu pa so ogljikovi atomi razporejeni v šesterokotnih plasteh.
V poznem 18. stoletju je Lavoisier diamant identificiral kot kristalno obliko ogljika, vendar je kristalno strukturo diamanta prvič določil Bragg leta 1913. Diamant je obseval z rentgenskimi žarki in dobil fotografijo rentgenskega difrakcijskega vzorca kristalnega rešetka in pokazal kristalne lastnosti diame.
Poleg tetraedronov naravni diamanti vključujejo tudi kocke (CD), šesterokotnike (HD), oktaedrone (OD) in dodekaedrone. Ogljikovi atomi, ki sestavljajo diamantni kristal, so kovalentno vezani, z dolžino vezi enake dolžine, 0,15 nm. Diamant je anizotropna, kar pomeni, da so številne njegove lastnosti usmerjene.
V tetraedronu imajo ogljikovi atomi v središču simetrije šibkejše sile vezi, zaradi česar je diamant dovzeten za cepitev. V tipičnih kristalnih obrazih diamanta in luskaste strukture grafita imajo ogljikove vezi znotraj grafitnih listov dolžino 0,142 nm, zaradi česar so zelo močne. Vendar so vezi med listi dolge le 0,335 nm, zaradi česar so te dolge vezi zelo šibke. To daje grafit odlično mazivo. Diamantni kristali so sestavljeni iz ogljikovih atomov, ki jih držijo kovalentne vezi.