Gdy w związku obok węgla i wodoru występuje tlen, tworzy się wiele ważnych biologicznie grup związków, jak cukier, chityna, alkohole, tłuszcze, zapachowe estry, karotenoidy oraz terpeny. Związki zawierające azot tworzą alkaloidy, aminokwasy, zawierające siarkę antybiotyki. Związki zawierające fosfor tworzą DNA, RNA oraz ATP, najważniejszy przenośnik energii w komórce.
Związki nieorganiczne Spośród nieorganicznych związków węgla duże znaczenie mają dwutlenek węgla, tlenek węgla, kwas węglowy, węglany oraz węgliki. Powszechnie stosowany jest w stopach z żelazem (stal i żeliwo). W związkach węgiel jest zazwyczaj czterowartościowy, rzadko dwuwartościowy (np. w tlenku węgla oraz związkach kompleksowych). Występuje na rozmaitych stopniach utlenienia w zakresie od −IV do IV.
Do najważniejszych tlenków węgla należą tlenek, dwutlenek i podtlenek.
Zastosowanie węgla Jako paliwo kopalne i surowiec do wytwarzania paliw, węgiel jest zawarty m.in. w węglu kamiennym, węglu brunatnym, gazie ziemnym i ropie naftowej.
Naturalna zawartość izotopu wykorzystywana jest do datowania radiowęglowego. W czasie życia w organizmie przyswajane są związki z węglem i odkładane wewnątrz tkanek. Po śmierci węgiel rozpada się. Podczas określania wieku organizmu mierzy się proporcję węgla do całkowitej ilości węgla.