Hiilellä on ainutlaatuisten kemiallisten sidosominaisuuksiensa vuoksi kaikkien alkuaineiden vakaimmat allotroopit. Jotkin hiilen allotroopit, kuten grafiitti ja timantti, esiintyvät luonnossa; muut, kuten nanoputket, on valmistettava laboratoriossa. Hiilen runsaus ja monipuolisuus tekevät siitä yhden tutkituimmista materiaaleista nanoteknologian tutkimuksessa, ja sen allotroopeilla on laaja valikoima hyödyllisiä ominaisuuksia, kuten suuri vetolujuus ja korkeat sulamispisteet.
Amorfinen hiili ja grafiitti ovat kaksi yleisintä allotrooppia, ja ne muodostavat suurimman osan luonnollisista hiiliyhdisteistä, kuten hiilestä ja noesta. Amorfisella hiilellä ei ole erityistä kiderakennetta, kuten useimmilla laseilla. Grafiitin hiiliatomit on järjestetty kerroksittain; jokaisella kerroksella on vahvat siteet, jotka pitävät sen yhdessä, mutta kerrokset eivät liity voimakkaasti ja ne voidaan helposti hieroa toisiltaan. Puhdas pyrolyyttinen grafiitti, jossa kaikki kerrokset on järjestetty samaan tasoon, on erittäin vahva, kuumuutta kestävä materiaali, jota käytetään suurissa rasituksissa ja lämpötiloissa. Grafiitti johtaa sähköä ja sitä voidaan käyttää ydinreaktorien moderaattorina.
Timantilla, toisella luonnollisella hiilialotroopilla, on jäykkä, lukittava kiderakenne. Timantti on yksi vaikeimmista tunnetuista aineista, ja sitä käytetään teollisuudessa materiaalien hiontaan ja leikkaamiseen. Timantin läpinäkyvyys ja kestävyys tekevät siitä erittäin arvostetun jalokiven, ja koruliiketoiminta on muuttanut timanttikaivostoiminnan monen miljardin dollarin teollisuudeksi. Timantti voidaan valmistaa synteettisesti muista allotroopeista, mutta sen muodostuminen vaatii erittäin korkeita lämpötiloja ja paineita.
Muita eksoottisempia allotrooppeja ovat pölypallot, nanoputket ja hiilinanopohja. Niitä esiintyy luonnostaan noessa, ja niitä on löydetty ainakin yhdestä planeetan sumuesta, vaikka ne voidaan luoda myös synteettisesti. Buckyballit ovat suljettuja, pallomaisia hiiliatomiverkkoja, jotka muodostavat toisiinsa kytkeytyviä viisikulmioita ja kuusikulmia. Hiilinanoputkilla on sama rakenne kuin grafiitilla, mutta sen sijaan, että niissä olisi kerros pinoja, nanoputki kiertyy ympärilleen ja sitoutuu itseensä muodostaen pitkän sylinterin. Hiilinanoputkilla on erittäin suuri vetolujuus, mikä tekee niistä houkuttelevia kuin uudet rakennusmateriaalit, vaikka ne eivät ole läheskään yhtä vahvoja puristettaessa.