יהלום וגרפיט הם שניהם אלוטרופים של פחמן. למרות ששניהם מורכבים מאטומי פחמן, הארגון האטומי שלהם שונה לחלוטין. כאשר אטום פחמן יוצר קשרים קוולנטיים עם אטומי פחמן מסביב, ישנן שתי תצורות קשרים שונות. ביהלום, אטומי הפחמן מסודרים בתבנית טטרהדרלית רגילה, ואילו בגרפיט, אטומי הפחמן מסודרים בשכבות משושה.
בסוף המאה ה -18, Lavoisier זיהה את יהלום כצורה גבישית של פחמן, אך מבנה הקריסטל של היהלום נקבע לראשונה על ידי בראג בשנת 1913. הוא הקרין יהלום עם צילומי רנטגן והשיג תצלום של דפוס העקיפה של הרנטגן של סריג הגביש, והדגים את תכונות הגביש של היהלום.
בנוסף לטטרהדרונים, יהלומים טבעיים כוללים גם קוביות (CD), הקסאהדרונים (HD), אוקטאהדרונים (OD) ודודקאהדרונים. אטומי הפחמן המרכיבים גביש יהלום קשורים בקוולנטיות, עם אורכי הקשר באורך שווה, 0.15 ננומטר. יהלום הוא אניסוטרופי, כלומר רבים מתכונותיו תלויים בכיוון.
בטטרהדרון יש לאטומי הפחמן במרכז הסימטריה כוחות מליטה חלשים יותר, מה שהופך את היהלום לרגישים למחשוף שם. בפרצופי הקריסטל האופייניים של היהלום והמבנה הרעוע של גרפיט, קשרי פחמן בתוך יריעות הגרפיט אורך של 0.142 ננומטר, מה שהופך אותם לחזקים מאוד. עם זאת, הקשרים בין הסדינים באורך של 0.335 ננומטר בלבד, מה שהופך את הקשרים הארוכים הללו לחלשים מאוד. זה נותן גרפיט סיכה מצוין. גבישי יהלום מורכבים מאטומי פחמן, המוחזקים יחד על ידי קשרים קוולנטיים.