Ogni atomo di carbonio forma quattro legami chimici. Il carbonio forma più comunemente legami covalenti, che sono due atomi che condividono elettroni, ma a volte forma legami ionici presenti in composti, come il carburo di calcio.
Il carbonio ha sei elettroni: due nell'orbita interna e quattro nell'orbita esterna. L'orbita esterna è completa quando raggiunge otto elettroni, quindi gli atomi di carbonio formano legami covalenti con altri atomi con gli elettroni da condividere. Sebbene il carbonio non sia l'unico elemento con quattro valenze, o gli elettroni esterni, è il più piccolo, permettendogli di adattarsi comodamente come parte di molecole molto più grandi.
Qualsiasi composto che contiene carbonio legato covalentemente è considerato un composto organico. Più di 10 milioni di composti organici sono noti ai chimici, che sintetizzano continuamente di più. La capacità del carbonio di formare catene carbonio-carbonio è una delle ragioni per cui il carbonio può formare così tanti composti. Gli atomi di carbonio possono formare catene, rami e anelli complessi. Legami di carbonio con elementi condividendo uno, due o tre elettroni, che consente di legarsi con una vasta gamma di altri atomi. L'idrogeno è l'elemento più comune da legare con il carbonio, ma l'azoto, l'ossigeno, il fosforo, lo zolfo e gli alogeni, insieme a molti altri tipi di atomi, si legano al carbonio per formare molecole organiche.
