A capacidade dos átomos de carbono de formar ligações covalentes com outros átomos de carbono é a mais exclusiva de suas propriedades de ligação. Isso permite que o carbono forme cadeias longas e contínuas, ramificações e loops consistindo de carbono e hidrogênio em hidrocarbonetos e apenas carbono em alótropos de carbono, como C 60 .
A capacidade do carbono de se ligar a si mesmo é chamada de catenação. Essa capacidade dos átomos de carbono de se combinarem com outros átomos, incluindo a si mesmo, com um alto grau de versatilidade dá origem à possibilidade de combinações quase infinitas. Mais de 10 milhões de compostos orgânicos consistindo de alguma combinação de carbono e outros elementos foram documentados, com novos compostos orgânicos sendo concebidos e sintetizados todos os dias.
A posição do carbono no meio da tabela periódica não o torna nem metálico nem não metálico, tornando-o igualmente provável de compartilhar elétrons com ambos. A abundância de elétrons da camada externa no carbono o torna capaz de formar no máximo quatro ligações covalentes.
Além de compartilhar elétrons com metais e não metais de eletronegatividade moderada, o carbono também pode doar ou aceitar elétrons, dando origem a sais orgânicos. O silício é outro elemento que pode se ligar a si mesmo e formar longas cadeias, mas o grande tamanho dos átomos de silício o torna incapaz de formar uma variedade de compostos tão grande quanto o carbono.
