Mỗi nguyên tử cacbon tạo thành bốn liên kết hóa học. Carbon phổ biến nhất tạo thành liên kết cộng hóa trị, là hai nguyên tử chia sẻ điện tử, nhưng đôi khi cũng hình thành liên kết ion được tìm thấy trong các hợp chất, chẳng hạn như canxi cacbua.
Carbon có sáu electron: hai ở quỹ đạo bên trong và bốn ở quỹ đạo bên ngoài. Quỹ đạo bên ngoài hoàn thành khi nó đạt tới 8 điện tử, và do đó các nguyên tử cacbon hình thành liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử khác bằng các điện tử để chia sẻ. Mặc dù cacbon không phải là nguyên tố duy nhất có điện tử hóa trị 4, hoặc ngoài cùng, nhưng nó là nguyên tố nhỏ nhất, cho phép nó có thể nằm vừa vặn như một phần của các phân tử lớn hơn nhiều.
Bất kỳ hợp chất nào có chứa cacbon liên kết cộng hóa trị đều được coi là hợp chất hữu cơ. Hơn 10 triệu hợp chất hữu cơ được biết đến với các nhà hóa học, những người đang liên tục tổng hợp thêm. Khả năng hình thành chuỗi carbon-carbon của carbon là một lý do tại sao carbon có thể tạo thành nhiều hợp chất như vậy. Các nguyên tử cacbon có thể tạo thành chuỗi, nhánh và vòng phức tạp. Carbon liên kết với các nguyên tố bằng cách chia sẻ một, hai hoặc ba điện tử, cho phép nó liên kết với một loạt các nguyên tử khác. Hydro là nguyên tố phổ biến nhất để liên kết với carbon, nhưng nitơ, oxy, phốt pho, lưu huỳnh và halogen, cùng với nhiều loại nguyên tử khác, liên kết với carbon để tạo thành các phân tử hữu cơ.
