鉆石是碳元素的固體形式，其原子排列在稱為金剛石立方體的晶體結構中。 另一種碳的固體形式稱為石墨，是碳在室溫和壓力下的化學穩定形式，但金剛石是亞穩態的，在這些條件下以可忽略不計的速度轉化為碳。 鉆石具有所有天然材料中最高的硬度和導熱性，這些特性用于主要工業應用，例如切割和拋光工具。 它們也是金剛石砧座可以使材料承受地球深處壓力的原因。

由于金剛石中的原子排列極其嚴格，很少有雜質會污染它（兩個例外是硼和氮）。 少量缺陷或雜質（約百萬分之一的晶格原子）顏色鉆石藍色（硼）、黃色（氮）、棕色（缺陷）、綠色（輻射暴露）、紫色、粉紅色、橙色或紅色。 鉆石還具有非常高的折射率和相對較高的光學色散。

大多數天然鉆石的年齡在 10 億至 35 億年之間。 大多數形成于地幔 150 至 250 公里（93 至 155 英里）之間的深度，盡管少數來自 800 公里（500 英里）深處。 在高壓和高溫下，含碳流體溶解了各種礦物質，取而代之的是鉆石。 最近（數百到數千萬年前），它們在火山噴發中被帶到地表，并沉積在稱為金伯利巖和鉀鎂隕石的火成巖中。

合成鉆石可以在高壓和高溫下從高純度碳中生長出來，或者通過化學氣相沉積 (CVD) 從碳氫化合物氣體中生長出來。 仿制鉆石也可以由立方氧化鋯和碳化硅等材料制成。 天然、合成和仿制鉆石最常使用光學技術或熱導率測量來區分。

鉆石是純碳的固體形式，其原子排列在晶體中。 根據化學鍵的類型，固體碳有不同的形式，稱為同素異形體。 純碳的兩種最常見的同素異形體是金剛石和石墨。 在石墨中，鍵是 sp2 軌道雜化物，原子在平面中形成，每個原子都與相隔 120 度的三個最近的鄰居結合。 在金剛石中，它們是 sp3，原子形成四面體，每個原子都與四個最近的鄰居相連。 四面體是剛性的，鍵結牢固，在所有已知物質中，金剛石每單位體積的原子數最多，這就是為什么它是最硬和最不可壓縮的。 它還具有高密度，天然鉆石的密度為每立方米 3150 至 3530 千克（超過水密度的三倍），純鉆石的密度為 3520 千克/立方米。 在石墨中，最近鄰之間的鍵合更強，但平行相鄰平面之間的鍵合較弱，因此平面之間很容易滑過彼此。 因此，石墨比金剛石軟得多。 然而，更強的鍵使石墨不易燃。

由于材料的特殊物理特性，鉆石已被用于許多用途。 它具有最高的導熱系數和最高的聲速。 它具有低附著力和摩擦力，熱膨脹系數極低。 其光學透明度從遠紅外延伸到深紫外，具有很高的光學色散。 它還具有高電阻。 它具有化學惰性，不與大多數腐蝕性物質發生反應，具有優良的生物相容性。

石墨和金剛石之間轉變的平衡壓力和溫度條件在理論上和實驗上都得到了很好的確立。 平衡壓力隨溫度線性變化，在 0 K 時的 1.7 GPa 和 5000 K 時的 12 GPa 之間（金剛石/石墨/液體三相點）。然而，相在這條線附近有一個寬闊的區域，它們可以在那里共存。

在常溫常壓、20°C (293K) 和 1 個標準大氣壓 (0.10MPa) 下，碳的穩定相是石墨，而金剛石是亞穩態的，其向石墨的轉化率可以忽略不計。 然而，在大約 4500 K 以上的溫度下，金剛石會迅速轉化為石墨。 石墨快速轉化為金剛石需要遠高于平衡線的壓力：在 2000 K 時，需要 35 GPa 的壓力。

在石墨-金剛石-液態碳三相點以上，金剛石的熔點隨著壓力的增加而緩慢升高； 但在數百 GPa 的壓力下，它會降低。 在高壓下，硅和鍺具有 BC8 體心立方晶體結構，預計碳在高壓下也具有類似的結構。 在 0 K 時，轉變預計發生在 1100 GPa。