Ogleklim, pateicoties tā unikālajām ķīmiskās saistīšanas īpašībām, ir visstabilākie jebkura elementa alotropi. Daži oglekļa alotropi, piemēram, grafīts un dimants, sastopami dabā; citi, piemēram, nanocaurules, ir jāražo laboratorijā. Oglekļa pārpilnība un daudzpusība padara to par vienu no visvairāk pētītajiem materiāliem nanotehnoloģiju pētījumos, un tā allotropiem ir plašs noderīgu īpašību klāsts, piemēram, augsta stiepes izturība un augsta kušanas temperatūra.
Amorfais ogleklis un grafīts ir divi visizplatītākie alotropi, un tie veido lielāko daļu dabisko oglekļa savienojumu, piemēram, ogles un kvēpus. Amorfajam ogleklim, tāpat kā lielākajai daļai stiklu, nav īpašas kristāla struktūras. Oglekļa atomi grafītā ir sakārtoti slāņos; katram slānim ir spēcīgas saites, kas to satur kopā, taču slāņi nesasaista stingri, un tos var viegli noberzt vienu no otra. Tīrs pirolītiskais grafīts, kur visi slāņi ir izvietoti vienā plaknē, ir ārkārtīgi izturīgs, karstumizturīgs materiāls, ko izmanto augsta sprieguma un augstas temperatūras vidēs. Grafīts vada elektrību, un to var izmantot kā kodolreaktoru moderatoru.
Dimantam, citam dabiskajam oglekļa alotropam, ir stingra, savstarpēji bloķēta kristāla struktūra. Dimants ir viena no cietākajām zināmajām vielām, un to izmanto rūpniecībā materiālu slīpēšanai un griešanai. Dimanta caurspīdīgums un izturība padara to ļoti augstu novērtētu kā dārgakmeni, un juvelierizstrādājumu bizness ir pārvērtis dimantu ieguvi par vairāku miljardu dolāru nozari. Dimantu var izgatavot sintētiski no citiem alotropiem, taču, lai tas veidotos, ir nepieciešama ārkārtīgi augsta temperatūra un spiediens.
Citi, eksotiskāki allotropi ir bumbiņas, nanocaurules un oglekļa nanoputas. Tie dabiski sastopami sodrējos un ir atrasti vismaz vienā planētu miglājā, lai gan tos var izveidot arī sintētiski. Buckyballs ir slēgti, lodveida oglekļa atomu tīkli, kas veido savstarpēji savienotus piecstūrus un sešstūrus. Oglekļa nanocaurulēm ir tāda pati struktūra kā grafītam, taču tā vietā, lai tām būtu slāņu kaudze, nanocaurule aptin un savienojas ar sevi, veidojot garu cilindru. Oglekļa nanocaurulēm ir ļoti augsta stiepes izturība, tādēļ tās ir pievilcīgas kā jauni būvmateriāli, lai gan tās nav ne tuvu tik spēcīgas, ja tās tiek saspiestas.