碳既以游离元素存在(金刚石、石墨等)，又以化合物形式存在(主要为钙、镁以及其他电正性元素的碳酸盐)。它以二氧化碳的形式存在，是大气中少量但极其重要的组分。预计碳在地壳岩石中的总丰度变化范围相当大，但典型的数值可取180ppm;按丰度顺序，这个元素位于第17位，在钡、锶、硫之后，锆、钒、氯、铬之前。 石墨广泛分布于全世界，然而大多数几乎没有价值。大量的晶体或薄片存在于变性的沉积硅酸盐岩石中，如石英、云母、片岩和片麻岩;晶体大小从不足1mm到6mm左右(平均4mm)。它沉积微扁豆状矿体，可达30m厚，横越田野，绵延数公里。平均含碳量达25%，但高的可达60%(马尔加什)。选矿是利用氢氟酸和盐酸处理后进行浮选，再在真空中加热到1500℃。微晶石墨(有时称为"无定形体")存在于富碳的变性沉淀中，某些墨西哥的沉积物含有高达95%的碳。
金刚石出自古代火山的筒状火成砾岩(火山筒)，它嵌在一种比较柔软的、暗色的碱性岩石中，称为"蓝土"或"含钻石的火成岩"，1870年在南非的吉姆伯利城，首次发现这样的火山筒。 随着地质年代的变迁，借火山筒的风化腐蚀，在冲刷砂砾中和海滩上也能找到金刚石。形成金刚石结晶的原始模式当代仍然是积极研究的课题。典型的含钻石火山筒中金刚石的含量极低，数量级为500万分之一，矿物必须用粉碎、淘洗这类机械方法分离并使其从涂有油膏的皮带上通过，金刚石会粘在上面。这在某种程度上说明了宝石级金刚石价格极高的原因。
三种其他形式的碳被大规模制造并广泛运用于工业:它们是焦炭、炭黑和活性炭。
在地面条件下，一种元素从一处到另一处是很罕见的。因此，地球上的碳含量是一个有效常数。碳在自然界中的流动构成了碳循环。例如，植物从环境中吸收二氧化碳用来储存生物质能，如碳呼吸和卡尔文循环(一种碳固定的过程)。一些生物质能通过捕食而转移，而一些碳以二氧化碳的形式被动物呼出。碳循环的结构要比右图的模式图复杂得多。例如，一些二氧化碳会溶解在海洋中，死去的植物或动物的遗骸可能会形成煤、石油和天然气，这些可以通过燃烧释放碳，而细菌不能利用得到。
碳原子核的形成需要α粒子(氦核)在巨核或超巨星中发生几乎同时的三重碰撞，这个过程称为三氦过程。这种核融合反应可以在超过一亿度K的高温和氦含量丰富的恒星内部迅速的发生。同样的，他发生在较老年，经由质子-质子链反应和碳氮氧循环产生的氦，累积在核心的恒星。在核心的氢已经燃烧完后，核心将塌缩，直到温度达到氦燃烧的燃点。反应的过程是:
He+He→Be (−93.7 keV)
Be+He→C (+7.367 MeV)
反应过程的净能量释放为1.166pJ。
另一个为恒星供能的融合机制是CNO循环(碳-氮-氧循环，有时也称为贝斯-魏茨泽克-循环，是恒星将氢转换成氦的两种过程之一，另一种过程是质子-质子链反应)，其中碳作为催化剂使得反应能够进行。
