連線0個H的碳原子叫季碳原子，季碳原子周圍連了4個碳連線1個H的碳原子叫叔碳原子，叔碳原子周圍連了3個碳連線2個H的碳原子叫仲碳原子，仲碳原子周圍連了2個碳連線3個H的碳原子叫伯碳原子，伯碳原子周圍連了1個碳

所有碳同位素的原子都有6顆質子，但中子數各異（從2到16顆不等）。碳有兩個自然存在的穩定同位素：碳-12佔地球上碳的98.93%，而碳-13則佔剩餘的1.07%。生物體中

同位素的比率更高，因為生物化學反應會選擇性地消除。1961年，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）決定以碳-12同位素作為原子量單位的定義標準。核磁共振所探測的就是。

碳-14是自然產生的放射性同位素，在地球上的丰度為一萬億分之一（0.0000000001%），主要存在於大氣層和地表礦藏中，如泥炭及其他有機物質等。碳-14以0.158 MeV能量進行β−衰變，由於半衰期只有5730年，所以該同位素在古老岩石中幾乎絕跡，但會在大氣高層（低平流層及高對流層）中經宇宙射線和氮間的反應而不斷產生。

在大氣層及生物體中的丰度幾乎守恆，但在生物體死亡後有規律地衰減，這就是放射性碳定年法的原理。該定年法可測量年齡在4萬年以下的含碳物質。

碳有15種已知同位素，其中存活時間最短的是，它會進行質子發射和α衰變，半衰期為1.98739x10−21秒。

同位素有核暈效應，即其半徑比密度均勻的正常球體原子核高得多。