原子核に6つの陽子を含む炭素原子には、3種類の同位体、¹²C（存在比98.93パーセント）、¹³C（1.07パーセント）、¹⁴C（微量）が自然界で存在し、それぞれがさまざまな学問分野で重要な位置を占める。¹²Cは1961年にIUPACによって質量の基準とすることが決定され、アボガドロ定数などの基礎的な定数はこれによって算出されている。¹³Cは核スピンを持つため、核磁気共鳴分光法において重要な核種である。¹⁴Cは、地球上の存在比が100京分の1、大気中では1兆分の1程度でしかなく、泥土や有機物の中に含まれている。半減期約5,730年の放射性同位体であり、ベータ崩壊を起こして窒素原子に変化する。しかし、成層圏において大気中の窒素と宇宙線（中性子）が反応して常時新たに生成されている。そのため古い石や化石などの閉じた系では時間とともに存在比が低くなることが知られ、考古学や標本の分野で4万年スケール、最大6万年の時代判定を行う放射性炭素年代測定法に使用したり、過去の宇宙線強度が変化した様子を通じて太陽活動や地球磁場の変遷を分析するために使われる。ほかにも、生物学や医学の分野でも¹⁴Cをマーカーにした多くの分析法が開発された。光合成の初期研究には¹⁴Cが用いられ、その後は効果的な肥料の開発にも同位体が使われる。ただし放射性物質である炭素14は取り扱いが難しいため、現在では放射能を持たない同位体元素である炭素13を用いた分析法も開発されている。その他、炭素には半減期が非常に短い15種類の同位体が知られている。⁸Cは半減期1.98739×10⁻²¹秒で陽子放出やアルファ崩壊を起こす。¹⁹Cは風変わりな中性子ハローの状態で存在する。
石炭は商業的にも重要な炭素供給元であり、無煙炭では炭素含有率は92 - 98パーセントにまでなる。これに石油や天然ガスなどを加えた炭素資源は、そのほとんどを燃料として利用している。天然の黒鉛（石墨、グラファイト）は世界中に分布するが、産出が多い地域は中国、インド、ブラジル、北朝鮮である。天然のダイヤモンドは歴史的に南インド産が有名だが、18世紀にブラジルで発見され、その後南アフリカでも採掘され、現在の主要産出国にはロシア、ボツワナ、オーストラリア、コンゴ民主共和国が名を連ねる。近年ではカナダ、ジンバブエ、アンゴラでも鉱山が開かれ、アメリカ合衆国でも発見されている。
炭素-炭素結合で有機物の基本骨格をつくり、すべての生物の構成材料となる。人体を構成する元素の約18%が炭素といわれている。これは蛋白質、脂質、炭水化物に含まれる原子の過半数が炭素であることによる。光合成や呼吸など生命活動全般で重要な役割を担う。地表での炭素の重量比は0.08%にすぎないため、生命は自然界にあるわずかな炭素をかき集めてかろうじて成立している
炭素の特性は他の元素と結びついて化合物を作る段階にある。炭素は他の元素を束にしてもまったく歯が立たないほど多様な化合物の世界を作り出している。これまでに天然に発見されたものと化学者が人工的に作り出した化合物の数は7,000万を超えるといわれているが、その約8割は炭素化合物である。
炭素は地球上で多様な状態を示している。炭素は地殻、海洋、生物圏、大気圏を循環しており、年間の移動量は約2,000億トンと見積もられている。惑星上では、ある元素がほかの元素に転換することは非常に稀である。したがって、地球に含まれる全炭素量はほぼ一定である。そのため、炭素を用いる過程はどこかでそれを獲得し、また放出することが必要となる。このような経路は、二酸化炭素の形で循環する体系を形成する。たとえば、植物は生育地の環境内で、呼吸によって二酸化炭素を放出する一方、光のエネルギーを用いて吸収した二酸化炭素から炭素を固定するカルヴィン回路を働かせ、植物組織を形成する。動物は植物を食べて炭素を吸収し、呼吸によって一部を排出する。このような短期的な循環だけでなく、より複雑な炭素循環も機能する。たとえば海洋は二酸化炭素を溶かし込み、枯れた植物や動物の死体は、バクテリアなどが消化しないと地中で石油や石炭などの形で炭素をとどめることもある。それらが化石燃料として利用されれば、燃焼によって再び炭素は放出される。
1994年11月3日、横浜市鶴見区の京浜運河からビニール袋に入れられ重しがつけられた女性の遺体が発見され、続いて幼児の遺体が2体発見された。その後、遺体の身元は茨城県つくば市に住む31歳女性とその長女（当時2歳）と長男（当時1歳）と確認された。3人については、夫であり父親である総合病院の医師（当時29歳）から捜索願が出されていた。夫から事情を聞くにつれ、夫の右の手の甲に小さな傷があることを捜査員が見つけた。夫は飼い犬に噛まれた傷と主張したが、捜査を続けていくにつれて、夫婦間のトラブルがあったことが判明した。11月25日、夫は殺人及び死体遺棄罪で逮捕される。夫は茨城県の農家の次男として生まれ、学業成績は常に優秀であった。筑波大学医学専門学群在籍時代から妻と交際しており卒業後に結婚。当時年収は1000万円を超えていたが愛人もおり投資用のマンションを購入するなど収入以上の支出をしていたため借金をしていた。離婚歴があった妻は2度目の結婚であり、夫の金策を助けるために昼は研究所の事務員、夜はパブのバイトで働いていた。夫の自供によると、10月29日午前5時、愛人問題等でかねてから夫婦仲が悪くなっていた妻と口論になった。妻は包丁とロープを持ち出し「いっそのこと私を殺せばいい」と口走り、自分の首にロープを巻きつけソファーから飛び降りて見せたり、病院長に愛人のことを訴えると言い出したためロープで首を絞め、両手で鼻と口を塞いで窒息死させた。子供2人も父が殺人者となり残されることを不憫に思い殺害した。その日はそのまま病院に出勤し、夕方自宅に帰ってから3人の遺体を自家用車のトランクに入れて自宅を出発。途中ストリップやソープランドに立ち寄り、大黒ふ頭で遺体を海に投げ込んだ。また、遺棄した日の翌日から、愛人である勤務先の看護婦との北海道旅行も予約していた。求刑は死刑だったが、1996年2月22日、横浜地裁は犯行は計画的なものではなく衝動的だったとして夫に無期懲役判決を下す。大学時代の友人は「温厚で明るい好青年だった」、病院の上司や患者は「熱心で親切な先生だった」と証言し、後の裁判では3000を越える減刑嘆願書が届けられていた。控訴をするも1997年1月30日、東京高裁、控訴棄却。被告人は上告したが、その後で取り下げて無期懲役が確定した。