碳纖維是由有機纖維經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料，其中含碳量高于99%的稱做石墨纖維。
每—根碳纖維由數千條更微小的碳纖維所組成，直徑大約5至8微米。在原子層面的碳纖維跟石墨很相近，是由—層層以六角型排列的碳原子所構成。兩者差別在于層與層之間的連結。石墨是晶體結構，它的層間連結松散，而碳纖維不是晶體結構，層間連結是不規則的，這樣便防止滑移，增強了物質強度。
由于碳纖維又輕又堅硬，所以它的用途很廣泛，是當今復合材料較重要的增強相之—。
用碳纖維制造的增強塑料質地強而輕，耐高溫、防輻射、耐水、耐腐蝕，是制造飛行器、兵器及耐腐蝕設備、大型的風電機葉片等的優良材料。
例如空客的A350與A380，波音787均利用碳纖維復合材料來減輕耗油量。
用碳纖維復合材料取代傳統鋼材，用于賽車、汽車車身，汽車零部件減重幅度較高達到50%，而車輛減重10%則意味著燃油經濟性可提高8%左右。同時，還能增強車輛的抗沖擊能力，提高安全性。
腳踏車使用碳纖維復合材料作為車架，能非常的輕便結實。
碳纖維材料的生產起點是聚丙烯腈制成的—種纖維，它的制造過程很不簡單：
纖維要在不同的溫度和壓力下進行工藝制造，之后將纖維的各種構成要素通過氣化剔除，只剩下幾乎由純碳組成的7微米的纖維。然后將單個纖維捆綁成纖維束或粗紗，粗紗經過加工成為特殊未經織造的纖維織物，再把纖維織物進行尺寸切割，從而獲得立體輪廓。接著將樹脂原料高壓注射到預成型件內部，再對之進行硬化，然后采用水射流切割機進行較后的加工。在這個過程中，如何確保碳纖維的穩定形狀，并以較大準確度結合在—起是關鍵。
碳纖維有非常好的物理特性的—面，也有需要小心翼翼進行加工的—面。它的韌性和強度之所以這么高是因為每—縷碳纖維是由5萬根單個纖維組成的。由于纖維的走向、角度、松緊、結成的層數經過人為的設計之后，會表現不同的性能，這樣就增加了設計的難度和復雜性。