Uhlíková vlákna o průměru pouhých 5 mikrometrů, což je ekvivalent jedné-desatiny až jedné{2}}dvanácté tloušťky lidského vlasu, jsou více než čtyřikrát pevnější než slitiny hliníku. Uhlíková vlákna jsou polykrystalický materiál složený z neúplně krystalizovaného grafitu uspořádaného podél osy vlákna. Grafit má vrstvenou strukturu; v každé vrstvě jsou atomy uhlíku uspořádány do šestiúhelníků, přičemž každý atom tvoří hybridní orbitaly sp2 se třemi sousedními atomy uhlíku a jedním nehybridizovaným orbitalem. Nehybridizované orbitaly poskytují grafitu vysokou tepelnou a elektrickou vodivost na jeho paralelní bazální rovině. Tyto vrstvy se skládají dohromady, aby vytvořily trojrozměrnou krystalickou strukturu grafitu s rozestupem mezi vrstvami 0,334 nm. Spojení mezi vrstvami je prostřednictvím van der Waalsových sil. To mu dává vysoký stupeň anizotropie. Modul pružnosti: 1060 GPa při zatížení rovnoběžném s bazální rovinou, 36,5 CPa při zatížení kolmo k bazální rovině a smykové zatížení 4 GPa v bazální rovině.
Grafitová rovina se může otáčet kolem osy, čímž se ztratí ABAB posloupnost trojrozměrného krystalického grafitu a vznikne dobře -známá dvourozměrná- krystalická struktura spirálovitého vrstveného uhlíku. Vzdálenost mezi vrstvami u spirálovitého vrstveného uhlíku je větší než u grafitu obecně. Uhlíková vlákna s vysokým -modulem připravená z PAN (poly(alkylenoxid)) jsou spirálovité vrstvové krystaly s preferenční orientací grafitových vrstev rovnoběžně s osou vlákna. Krystalová struktura je určena dvěma parametry: šířkou (rovnoběžná s osou vlákna) a výškou (kolmá k ose vlákna). Modul vlákna silně závisí na stupni orientace vrstvy, který se zvyšuje s rostoucí teplotou tepelného zpracování a protahováním během výroby vlákna.
Dalším strukturálním rysem uhlíkových vláken je přítomnost 15%–20% poréznosti mezi zrny. Tyto mikropóry jsou protáhlé a přednostně rovnoběžné s osou vlákna. Průměr mikropórů je 1–2 nm a jejich délka je nejméně 20–30 nm. Přítomnost pórů a větší oddělení vrstev spirálovitých uhlíkových vrstev má za následek nižší hustotu vláken, než je teoretická hustota grafitu. Studie rentgenové difrakce a elektronové difrakce struktury uhlíkových vláken na bázi PAN{11}}odhalují rozvětvenou strukturu mikrovlákna, přičemž základní strukturní jednotkou je 6 nm široká a tisíce nanometrů dlouhá pásková-vrstva. Několik pruhů se spojí a vytvoří spojená mikrovlákna. Mikrovlákna jsou vysoce rovnoběžná s osou vlákna a rozvětvují se do podlouhlých pórů o průměru 1–2 nm.
