Le proprietà meccaniche, come la malleabilità e la duttilità, non si applicano ai singoli atomi di alcun elemento perché le proprietà meccaniche si presentano quando gli atomi si legano. Il tipo, la resistenza e l'orientamento di questi legami risultanti determinano le proprietà meccaniche di materia.
Il legame covalente carbonio-carbonio tra due atomi di carbonio comporta la partecipazione di uno, due o tre elettroni da ciascun atomo. I singoli legami carbonio-carbonio sono più comuni quando due atomi di carbonio si ibridizzano e condividono i loro orbitali sp3. I singoli legami tra gli atomi di carbonio possono anche derivare da altre ibridazioni orbitali meno comuni, come l'ibridazione di sp2. L'energia approssimativa di un singolo legame carbonio-carbonio è di 80 kilocaries per mole.
Due atomi di carbonio possono anche raddoppiare il legame attraverso due orbitali sp2 ibridati e due orbitali p non ibridati. L'energia media del legame risultante è 140 kilocaries per mole.
Questi valori sono eccezionalmente elevati rispetto ad altre energie di legame elementare, come 38,4 kilocari per mole per legami azoto-azoto e 35 kilocari per mole per legami ossigeno-ossigeno. Il carbonio è anche capace di catenarsi, la formazione di catene lunghe e continue dei suoi stessi atomi. L'elevata forza di adesione interatomica e la capacità di catenazione del carbonio conferiscono diverse forme di eccezionali proprietà meccaniche. I nanotubi di carbonio hanno un modulo teorico di Young di 1 forza tetrapascale e tensile tra 11 e 63 gigapascals. La natura covalente e la direzionalità dei legami carbonio-carbonio limitano la malleabilità e la duttilità degli allotropi di carbonio.
