Jednak termodynamicznie węgiel jest podatny na utlenianie, znacznie bardziej niż żelazo lub miedź, które są słabymi reduktorami w temperaturze pokojowej.
Związki zawierające węgiel są podstawą życia na Ziemi, a cykl węglowo-azotowo-tlenowy dostarcza część energii wytwarzanej przez Słońce i inne gwiazdy. Mimo różnorodności związków węgla większość jego form jest stosunkowo słabo reaktywna w warunkach normalnych. Nie reaguje z kwasem siarkowym, kwasem solnym, chlorem ani zasadami. W podwyższonej temperaturze węgiel reaguje z tlenem, tworząc tlenki węgla, oraz redukuje wiele tlenków metali, takich jak tlenek żelaza, do wolnego metalu. Ta reakcja egzotermiczna jest wykorzystywana w hutnictwie żelaza, stali do kontroli zawartości węgla w stali:
Z siarką tworzy dwusiarczek węgla, a z parą wodną tlenek węgla i wodór:
Węgiel reaguje z niektórymi metalami, tworząc węgliki, w tym węglik żelaza (cementyt) czy węglik wolframu, który dzięki swojej twardości jest używany w różnego rodzaju narzędziach tnących.
Odmiany alotropowe węgla thumb|300px|Odmiany alotropowe węgla:a) diament, b) grafit, c) lonsdaleit (domniemana struktura), d) fuleren C60 e) fuleren C540,f) fuleren C70, g) węgiel bezpostaciowy (amorficzny), h) nanorurka Węgiel występuje w odmianach alotropowych np.: diament fulereny grafit grafen cyklowęgiel.