碳纖維是含碳量高于90%的無機高分子纖維。其中含碳量高于99%的稱石墨纖維。碳纖維的微觀結構類似人造石墨，是亂層石墨結構。[5] 碳纖維各層面間的間距約為3.39到3.42A，各平行層面間的各個碳原子，排列不如石墨那樣規(guī)整，層與層之間借范德華力連接在一起。[6]

通常也把碳纖維的結構看成由兩維有序的結晶和孔洞組成，其中孔洞的含量、大小和分布對碳纖維的性能影響較大。[7]