Cấu trúc phân tử của kim cương làm cho nó trở nên cứng, vì kim cương bao gồm các nguyên tử cacbon liên kết chặt chẽ với nhau theo cấu trúc mạng tinh thể. Các nguyên tử được liên kết chặt chẽ thông qua liên kết cộng hóa trị trong đó hai nguyên tử chia sẻ một điện tử. Một đơn vị tứ diện bao gồm năm nguyên tử cacbon, với một nguyên tử cacbon chia sẻ electron với bốn nguyên tử còn lại. Một phân tử cực mạnh được hình thành từ liên kết tứ diện của năm nguyên tử cacbon.
Ở dạng tự nhiên, cacbon không cứng lắm. Dễ dàng nghiền nát khi tác dụng đủ lực. Tuy nhiên, cấu trúc cacbon thay đổi đáng kể khi cacbon chịu áp suất và nhiệt cao. Nó biến đổi từ một cái gì đó mềm thành một cái gì đó cực kỳ cứng. Các nguyên tử cacbon nén và tạo thành một cấu trúc kết tinh cô đặc cao, mang lại cho kim cương độ cứng đặc biệt và các đặc tính có giá trị.
Dạng kết tinh của cacbon được tạo ra từ áp suất và nhiệt cực cao dẫn đến việc tạo ra kim cương. Kim cương cực kỳ cứng vì chúng đã kết tinh trong một hình dạng nguyên tử đặc biệt do nhiệt và áp suất trên trái đất ở độ sâu 140 đến 150 km. Để tạo ra một viên kim cương phải mất một thời gian dài và chúng thường được đưa lên bề mặt Trái đất thông qua một vụ phun trào núi lửa. Trong Thang đo độ cứng Mohs, kim cương xếp hạng 10, đây là kim cương cứng nhất trong thang đo.
