El carbono es el elemento central de la química orgánica y todas las propiedades de sus compuestos se explican a partir de sus características atómicas fundamentales. Con número atómico 6, pertenece al grupo 14 (IVA) y periodo 2 de la tabla periódica, y su configuración electrónica basal es 1s² 2s² 2p², es decir, posee 4 electrones de valencia. Su electronegatividad intermedia (2.55 en la escala de Pauling) hace que forme preferentemente enlaces covalentes en lugar de iónicos, y su pequeño radio atómico (aprox. 77 pm en enlace covalente) permite un solapamiento orbital muy eficaz, generando enlaces fuertes y cortos.

La propiedad más destacada del carbono es su tetravalencia: mediante la promoción de un electrón 2s a un orbital 2p vacío obtiene 4 electrones desapareados y forma 4 enlaces covalentes, cumpliendo la regla del octeto. Además, puede establecer enlaces simples sigma (σ), dobles (σ+π) o triples (σ+2π), tanto con otros átomos como consigo mismo. Esta última capacidad, llamada catenación, le permite formar cadenas largas, ramificadas y anillos, gracias a la alta energía del enlace C–C (aprox. 348 kJ/mol), lo que explica la existencia de millones de compuestos orgánicos como alcanos, polímeros, proteínas y ADN.

Para explicar las geometrías moleculares observadas se emplea la teoría de hibridación: la mezcla del orbital 2s con uno, dos o tres orbitales 2p origina hibridaciones sp³ (tetraédrica, 109.5°, como en el metano), sp² (trigonal plana, 120°, como en el eteno) y sp (lineal, 180°, como en el acetileno). Como consecuencia de todo lo anterior, el carbono exhibe una enorme versatilidad química, da origen a la isomería y presenta un equilibrio entre estabilidad y reactividad: sus enlaces C–C y C–H son fuertes y apolares, mientras que los enlaces π y los grupos polares permiten reacciones selectivas.