碳在自然界中的流动构成了碳循环。例如,植物从环境中吸收二氧化碳用来储存生物质能,如碳呼吸和卡尔文循环(一种碳固定的过程)。一些生物质能通过捕食而转移,而一些碳以二氧化碳的形式被动物呼出。碳循环的结构要比右图的模式图复杂得多。例如,一些二氧化碳会溶解在海洋中,死去的植物或动物的遗骸可能会形成煤、石油和天然气,这些可以通过燃烧释放碳,而细菌不能利用得到。碳原子核的形成需要α粒子(氦核)在巨核或超巨星中发生几乎同时的三重碰撞,这个过程称为三氦过程。这种核融合反应可以在超过一亿度K的高温和氦含量丰富的恒星内部迅速的发生。同样的,他发生在较老年,经由质子-质子链反应和碳氮氧循环产生的氦,累积在核心的恒星。在核心的氢已经燃烧完后,核心将塌缩,直到温度达到氦燃烧的燃点。反应的过程是:4He+4He→8Be (−93.7 keV)8Be+4He→12C (+7.367 MeV)反应过程的净能量释放为1.166pJ。另一个为恒星供能的融合机制是CNO循环(碳-氮-氧循环,有时也称为贝斯-魏茨泽克-循环,是恒星将氢转换成氦的两种过程之一,另一种过程是质子-质子链反应),其中碳作为催化剂使得反应能够进行。现代已知的同位素共有十五种,有碳8至碳22,其中碳12和碳13属稳定型,其余的均带放射性,当中碳14的半衰期长达5730年,其他的为稳定同位素。 在地球的自然界里,碳12在所有碳的含量占98.93%,碳13则有1.07%。C的原子量取碳12、13两种同位素丰度加权的平均值,一般计算时取12.01。碳12是国际单位制中定义摩尔的尺度,以12克碳12中含有的原子数为1摩尔。碳14由于具有较长的半衰期,衰变方式为β衰变,碳14原子转变为氮原子 且碳是有机物的元素之一,生物在生存的时候,由于需要呼吸,其体内的碳14含量大致不变,生物死去后会停止呼吸,此时体内的碳14开始减少。人们可透过倾测一件古物的碳14含量,来估计它的大概年龄,这种方法称之为碳定年法。