每一根碳纖維由數千條更微小的碳纖維所組成，直徑大約5至8微米，幾乎全部由碳構成。 最早的一代（如T300，HTA和AS4）有16-22微米直徑。[1] 新研發的碳纖維（如IM6或IM600）的直徑大約有5微米。[1]
在原子層面，碳纖維跟石墨很相近，是由一層層以六边形模式（石墨烯薄片）排列的碳原子所構成。兩者差別在於層與層之間的連結的方式。石墨是晶體結構，它的層間連結鬆散，而碳纖維不是晶體結構，層間連結是不規則的。這樣便防止滑移，增強物質強度。
一般碳纖維的密度為1750 kg/m3。導熱能力高但傳電能力低，碳纖維的比熱容亦比銅低。當加熱的時候，碳纖維會變厚而短。雖然碳纖維的天然顏色是黑色，但可以把它染上不同的顏色。
在2009年，碳纖維複合材料的全球需求價值大約為108億美元，比上一年減少8-10％。預計到2012年將達到US$132億，到2015年增加擴大至US$186億，有7％以上的年增長率。強勁的需求來自於飛機和航空航天，風力發電，以及來自汽車行業。[2][3]
因為碳纖維又輕又堅硬，所以它的用途很廣泛。
用碳纤维制造的增强塑料质地强而轻，耐高温、防辐射、耐水、耐腐蚀，是制造飞行器、兵器及耐腐蚀设备等的优良材料。碳纖維製品的缺點是難以自然分解，大量棄置會造成環境問題。
近年來碳纖維更是廣泛被使用於大型飛機，例如空中巴士的A350與A380，波音787均利用碳纖維複合材料來減輕耗油量。
另外大型風力發電機的葉片，賽車、汽機車的車身均為碳纖維複合材料需求量增加的重要因素。
腳踏車亦有使用碳纖維複合材料作為車架，但因碳纖維複合材料製造成本高，多為高階車種才能使用。
碳纤维的前体是聚丙烯腈（PAN）， 人造纤维和沥青。碳纤维长丝纱被用于多个处理技术——直接的用途是用于预浸渍，长丝卷绕，拉挤，纺织，编织等。
碳纤维用于碳纤维微电极的制作。在此应用中通常与5-7微米直径的单个碳纤维被密封在玻璃毛细管[4]。在毛细管的尖端或者用环氧树脂密封并抛光制作成为碳纤维圆盘微电极，或纤维被切割成长度为75-150微米，制作成为碳纤维圆柱电极。碳纤维微电极使用，也可以在安培检测法（英语：Amperometry）或快速扫描循环伏安法（英语：Fast-scan cyclic voltammetry）检测生物化学信号。
碳纖維經過活化之後，成為「活性碳纖維」。此種活性碳纖維具有大量的微孔，形成奈米空間，擁有極大的比表面積。具有吸附及脫附的能力，最常見的產品即是生活上所用的口罩。此種材料也被用在各種過濾器或水質淨化器中。
一般用聚丙烯腈（PAN）、嫘縈、粘胶纤维等聚合物原料，先在200－300℃的空气中进行预氧化，继在氩气等惰性气体保护下，用約1700℃的高温完成驱除非碳原子的過程（碳化），最后加热到2600－3000℃成碳纤维。碳纤维的长丝可能被进一步处理以提高品质，然后卷绕到筒管[5]。
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