碳纖維是含碳量高于90%的無機高分子纖維。其中含碳量高于99%的稱石墨纖維。碳纖維的微觀結構類似人造石墨，是亂層石墨結構。[5] 碳纖維各層面間的間距約為3.39到3.42A，各平行層面間的各個碳原子，排列不如石墨那樣規整，層與層之間借范德華力連接在一起。[6] 通常也把碳纖維的結構看成由兩維有序的結晶和孔洞組成，其中孔洞的含量、大小和分布對碳纖維的性能影響較大。[7] 碳纖維還具有極好的纖度（纖度的表示法之一是9000米長纖維的克數），一般僅約為19克，拉力高達300kg每微米。幾乎沒有其他材料像碳纖維那樣具有那么多一系列的優異性能， 因此在旨度、剛度、重度、疲勞特性等有嚴格要求的領域。在不接觸空氣和氧化劑時，碳纖維能夠耐受3000度以上的高溫，具有突出的耐熱性能，與其他材料相比，碳纖維要溫度高于1500℃時強度才開始下降，而且溫度越高，纖維強度越大。碳纖維的徑向強度不如軸向強度，因而碳纖維忌徑向強力（即不能打結）而其他材料的晶須性能也早已大大的下降。另外碳纖維還具有良好的耐低溫性能，如在液氮溫度下也不脆化。