Diamant och grafit är båda allotroper av kol. Även om båda består av kolatomer är deras atomorganisation helt annorlunda. När en kolatom bildar kovalenta bindningar med omgivande kolatomer finns det två olika bindningsformationer. I diamant är kolatomerna arrangerade i ett regelbundet tetraedralt mönster, medan i grafit är kolatomerna arrangerade i hexagonala skikt.
I slutet av 1700-talet identifierade Lavoisier diamant som en kristallin form av kol, men kristallstrukturen i diamant bestämdes först av Bragg 1913. Han bestrålade diamant med röntgenstrålar och erhöll ett fotografi av röntgendiffraktionsmönstret för kristallgitteret och demonstrerade de kristallina egenskaperna för diamant.
Förutom tetrahedroner inkluderar naturliga diamanter också kuber (CD), hexahedroner (HD), oktaedroner (OD) och dodecahedroner. Kolatomerna som utgör en diamantkristall är kovalent bundna, med bindningslängder av lika lång längd, 0,15 nm. Diamond är anisotropisk, vilket innebär att många av dess egenskaper är riktade beroende.
I en tetrahedron har kolatomerna i mitten av symmetri svagare bindningskrafter, vilket gör diamant mottaglig för klyvning där. I de typiska kristallytorna i diamanten och den flagniga strukturen för grafit har kolbindningar inom grafitarken en längd på 0,142 nm, vilket gör dem mycket starka. Bindningarna mellan lakan är emellertid endast 0,335 nm långa, vilket gör dessa långa bindningar mycket svaga. Detta ger grafit utmärkt smörjning. Diamantkristaller består av kolatomer, som hålls samman av kovalenta bindningar.