金剛石和石墨都是碳的單質，是同素異形體。在常溫下，碳單質化學性質穩定，幾乎與所有物質都不發生化學反應，但在高溫下可以與許多物質發生反應。由於二者的結構不同，導致它們的性能有著天壤之別。
“硬度之王”金剛石
金剛石俗稱“金剛鑽”，也就是我們常說的鑽石，它是一種由純碳組成的礦物。金剛石是自然界中最堅硬的物質，因此也就具有了許多重要的工業用途，如精細研磨材料、高硬切割工具、各類鑽頭、拉絲模。金剛石還被作為很多精密儀器的部件。金剛石有各種顏色，從無色到黑色都有。它們可以是透明的，也可以是半透明或不透明的。多數金剛石都帶些黃色。金剛石的折射率非常高，色散性能也很強，這就是金剛石為什麼會反射出五彩繽紛閃光的原因。金剛石在X射線照射下會發出藍綠色熒光。金剛石僅產於金伯利岩中。金剛石化學式為C，晶體形態多呈8麵體、菱形12麵體、4麵體及它們的聚形，沒有雜質時，無色透明，與氧反應時，也會生成二氧化碳，與石墨同屬於碳的單質，素有“硬度之王”和寶石之王的美稱。習慣上人們常將加工過的稱為鑽石，而未加工過的稱為金剛石。在我國，金剛石之名最早見於佛家經書中。鑽石是自然界中最硬的物質，最佳顏色為無色，但也有特殊色，如藍色、紫色、金黃色等。這些顏色的鑽石稀有，是鑽石中的珍品。印度是曆史上最著名的金剛石出產國，現在世界上許多著名的鑽石如“光明之山”、“攝政王”、“奧爾洛夫”均出自印度。金剛石的產量十分稀少，通常成品鑽是采礦量的十億分之一，因而價格十分昂貴。經過琢磨後的鑽石一般有圓形、長方形、方形、橢圓形、心形、梨形、欖尖形等。世界上最重的鑽石是1905年產於南非的“庫裏南”，重3106.3克拉，已被分磨成9粒小鑽，其中一粒被稱為“非洲之星”的庫裏南1號的鑽石重量仍占世界名鑽首位。
原生金剛石是在地下深處（130～180千米）高溫（900℃～1300℃）高壓下結晶而成的，它們儲存在金伯利岩或榴輝岩中，其形成年代相當久遠。南非金伯利礦，橄欖岩型鑽石金剛石約形成於距今33億年前，這個年齡幾乎與地球同歲；而澳大利亞阿蓋爾礦、博茨瓦納奧拉伯礦，榴輝岩型的鑽石雖說年輕，也分別已有15.8億年和9.9億年了。藏於地下深處達億萬年之久的鑽石晶體要重見天日，得助於火山噴發。熔岩流將含有鑽石的岩漿帶入至地球近地表處，或長途遷徙沉澱於河流沙土之中。前者形成的是原生管狀礦，後者形成的則為衝積礦。這些礦體曆經艱辛開采後，還需經過多道處理遴選，才可從中獲得毛坯金剛石。毛坯金剛石中僅有20%可作首飾用途的鑽坯，而大部分隻能用於切割、研磨及拋光等工業用途上。有人曾粗略地估算過，要得到1克拉重的鑽石，起碼要開采處理250噸礦石，采獲率是相當低的；如果想從成品鑽中挑選出美鑽，那兩者的比率更是十分懸殊的了。
把任何兩種不同的礦物互相刻劃，兩者中必定會有一種受到損傷。有一種礦物，能夠劃傷其他一切礦物，卻沒有一種礦物能夠劃傷它，這就是金剛石。金剛石為什麼會有如此大的硬度呢？
直到18世紀後半葉，科學家才搞清楚構成金剛石的材料。如前所述，早在公元1世紀的文獻中就有了關於金剛石的記載，然而，在其後的1600多年中，人們始終不知道金剛石的成分是什麼。
直到18世紀70～90年代，才有法國化學家拉瓦錫等人進行的在氧氣中燃燒金剛石的實驗，結果發現得到的是二氧化碳氣體，即一種由氧和碳結合在一起的物質。這裏的碳就來源於金剛石。終於，這些實驗證明了組成金剛石的材料是碳。
知道了金剛石的成分是碳，仍然不能解釋金剛石為什麼有那樣大的硬度。例如，製造鉛筆芯的材料是石墨，成分也是碳，然而石墨卻是一種比人的指甲還要軟的礦物。金剛石和石墨這兩種礦物為什麼會如此不同？
這個問題，是在1913年才由英國的物理學家威廉·布拉格和他的兒子做出回答。布拉格父子用X射線觀察金剛石，研究金剛石晶體內原子的排列方式。他們發現，在金剛石晶體內部，每一個碳原子都與周圍的4個碳原子緊密結合，形成一種致密的三維結構。這是一種在其他礦物中都未曾見到過的特殊結構。而且，這種致密的結構，使得金剛石的密度為每立方厘米約3.5克，大約是石墨密度的1.5倍。正是這種致密的結構，使得金剛石具有最大的硬度。換句話說，金剛石是碳原子被擠壓而形成的一種礦物。