Khả năng của nguyên tử cacbon tạo liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử cacbon khác là đặc tính liên kết độc đáo nhất của nó. Điều này cho phép cacbon tạo thành chuỗi, nhánh và vòng dài, liên tục bao gồm cacbon và hydro trong hydrocacbon và chỉ cacbon trong các dạng thù hình cacbon như C 60 .
Khả năng liên kết của cacbon với chính nó được gọi là khả năng phân loại. Khả năng kết hợp của các nguyên tử cacbon với các nguyên tử khác, bao gồm cả chính nó, với mức độ linh hoạt cao làm phát sinh khả năng kết hợp gần như vô hạn. Hơn 10 triệu hợp chất hữu cơ bao gồm một số kết hợp của cacbon và các nguyên tố khác đã được ghi nhận, với các hợp chất hữu cơ mới được hình thành và tổng hợp mỗi ngày.Vị trí của cacbon ở giữa trong bảng tuần hoàn khiến nó không phải là kim loại hay phi kim loại, khiến nó có khả năng chia sẻ các electron như nhau. Sự phong phú của các electron lớp ngoài cùng trong cacbon khiến nó có khả năng hình thành tối đa 4 liên kết cộng hóa trị.
Ngoài việc chia sẻ electron với kim loại và phi kim loại có độ âm điện vừa phải, cacbon cũng có thể tặng hoặc nhận electron, làm phát sinh muối hữu cơ. Silicon là một nguyên tố khác có thể liên kết với chính nó và tạo thành chuỗi dài, nhưng kích thước lớn của các nguyên tử silicon khiến nó không có khả năng hình thành nhiều loại hợp chất như cacbon.
