La capacité des atomes de carbone à former des liaisons covalentes avec d'autres atomes de carbone est la plus unique de ses propriétés de liaison. Cela permet au carbone de former de longues chaînes continues, des branches et des boucles composées de carbone et d'hydrogène dans les hydrocarbures et uniquement le carbone dans les allotropes de carbone tels que C60.
La capacité du carbone à se lier à lui-même s'appelle la caténation. Cette capacité des atomes de carbone à se combiner avec d'autres atomes, y compris lui-même, avec un degré élevé de polyvalence donne lieu à la possibilité de combinaisons quasi infinies. Plus de 10 millions de composés organiques constitués d'une combinaison de carbone et d'autres éléments ont été documentés, de nouveaux composés organiques étant conçus et synthétisés chaque jour.
La position du carbone à mi-chemin dans le tableau périodique n'en fait ni un métal ni un non-métal, ce qui le rend également susceptible de partager des électrons avec l'un ou l'autre. L'abondance des électrons de la couche externe du carbone le rend capable de former un maximum de quatre liaisons covalentes.
En plus de partager des électrons avec des métaux et des non-métaux d'électronégativité modérée, le carbone peut également donner ou accepter des électrons, donnant lieu à des sels organiques. Le silicium est un autre élément qui peut se lier à lui-même et former de longues chaînes, mais la grande taille des atomes de silicium le rend incapable de former une aussi grande variété de composés que le carbone.
