無定形碳顧名思義沒有特定形狀和周期性結構的規律，但它內部原子的排列可從三種晶態碳的單質結構來理解。無定形碳涉及的面很廣，日常生活和工農業生產中常用到無定形碳。例如，煤，木炭，焦炭，活性炭，炭黑，碳纖維，玻璃態碳，納米碳管和蔥頭形顆粒等都歸屬于無定形碳。
　　大部分無定形碳是石墨層型結構的分子碎片大致相互平行地，無規則地堆積在一起，可簡稱為亂層結構。層間或碎片之間用金剛石結構的四面體成鍵方式的碳原子鍵連起來，這種四面體的碳原子所占的比例多，則比較堅硬，如焦碳和玻璃態碳等。納米碳管和蔥頭形顆粒等結構可從球碳的結構出發來理解。
　　無定形碳中石墨層的大小，因制造不同工業用途的品種和工藝而異，例如，用作橡膠填充劑的炭黑及作吸附劑用的活性炭等，它們的主體是石墨亂層結構的顆粒。粒徑約為幾個納米，層間距離接近石墨晶體中的數值，約為0.34nm，碳纖維中的石墨層呈卷曲狀，沿纖維軸方向延伸，煤的結構很復雜，由于生成的條件不同，石墨化程度不同，氫、氧、氮等的含量差異很大，結構的差異也很大。
　　從1990年制出常量的球碳C60和C70以后，人們相繼觀察到或制備出蔥頭型碳粒，納米單層和多層碳管，螺旋形碳管等單質碳的多種形態。蔥頭形碳粒可以被認為是由不同大小的一系列呈準圓球形構成的多層結構，最內層接近于C60分于（直徑約為1nm），從第2層起，在第n層上以60n2個碳原子一層包一層象洋蔥的結構，層間距離為0.34nm，顆粒直徑由十幾個到幾十個納米。