เส้นใยคาร์บอนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 5 ไมโครเมตร ซึ่งเทียบเท่ากับความหนาหนึ่งใน-ในสิบถึงหนึ่ง-ของเส้นผมมนุษย์ มีความแข็งแรงมากกว่าโลหะผสมอลูมิเนียมมากกว่าสี่เท่า เส้นใยคาร์บอนเป็นวัสดุโพลีคริสตัลไลน์ที่ประกอบด้วยกราไฟท์ที่ตกผลึกไม่สมบูรณ์ซึ่งจัดเรียงตามแกนของเส้นใย กราไฟท์มีโครงสร้างเป็นชั้น ภายในแต่ละชั้น อะตอมของคาร์บอนจะถูกจัดเรียงเป็นรูปหกเหลี่ยม โดยแต่ละอะตอมจะก่อตัวเป็นวงโคจรลูกผสม sp2 โดยมีอะตอมของคาร์บอนอยู่ติดกันสามอะตอม และวงโคจรที่ไม่ถูกไฮบริดหนึ่งวง ออร์บิทัลที่ไม่ถูกไฮบริดจะทำให้กราไฟต์มีค่าการนำความร้อนและไฟฟ้าสูงบนระนาบฐานขนาน ชั้นเหล่านี้ซ้อนกันเพื่อสร้างโครงสร้างผลึกกราไฟท์สามมิติ- โดยมีระยะห่างระหว่างชั้น 0.334 นาโนเมตร พันธะระหว่างชั้นเกิดขึ้นผ่านแรงแวน เดอร์ วาลส์ สิ่งนี้ทำให้มีแอนไอโซโทรปีในระดับสูง โมดูลัสยืดหยุ่น: 1060 GPa ภายใต้โหลดขนานกับระนาบฐาน, 36.5 CPa ภายใต้โหลดตั้งฉากกับระนาบฐาน และโหลดแรงเฉือน 4 GPa บนระนาบฐาน
ระนาบกราไฟท์สามารถหมุนได้รอบแกน ทำให้สูญเสียลำดับการเรียงซ้อน ABAB ของกราไฟท์ผลึกสามมิติ- และทำให้เกิดโครงสร้างผลึกสอง-ที่เป็นที่รู้จักของคาร์บอนชั้นขดลวด ระยะห่างระหว่างชั้นของคาร์บอนที่เป็นขดลวดจะมีขนาดใหญ่กว่าระยะห่างของกราไฟท์โดยทั่วไป เส้นใยคาร์บอนโมดูลัสสูง-ที่เตรียมจาก PAN (โพลี(อัลคิลีนออกไซด์)) เป็นผลึกชั้นเกลียวที่มีการวางแนวของชั้นกราไฟท์ที่ขนานกับแกนไฟเบอร์เป็นพิเศษ โครงสร้างผลึกถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์สองตัว: ความกว้าง (ขนานกับแกนไฟเบอร์) และความสูง (ตั้งฉากกับแกนไฟเบอร์) โมดูลัสของเส้นใยขึ้นอยู่กับระดับของการวางแนวของชั้น ซึ่งจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิการรักษาความร้อนที่เพิ่มขึ้นและการยืดตัวระหว่างการผลิตเส้นใย
คุณสมบัติเชิงโครงสร้างอีกประการหนึ่งของคาร์บอนไฟเบอร์คือการมีความพรุน 15%–20% ระหว่างเมล็ดข้าว ไมโครพอร์เหล่านี้มีความยาวและขนานกับแกนไฟเบอร์เป็นพิเศษ เส้นผ่านศูนย์กลางของไมโครพอร์คือ 1–2 นาโนเมตร และความยาวอย่างน้อย 20–30 นาโนเมตร การมีอยู่ของรูพรุนและการแยกชั้นของชั้นคาร์บอนขดที่มากขึ้นส่งผลให้ความหนาแน่นของเส้นใยต่ำกว่าความหนาแน่นทางทฤษฎีของกราไฟท์ การศึกษาการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์และการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนของโครงสร้างของเส้นใยคาร์บอนที่มีพื้นฐานจาก PAN- เผยให้เห็นโครงสร้างไมโครไฟเบอร์ที่แตกกิ่งก้าน โดยมีหน่วยโครงสร้างพื้นฐานเป็นชั้นที่มีลักษณะคล้ายริบบิ้นกว้าง 6 นาโนเมตร- ยาวหลายพันนาโนเมตร ริบบิ้นหลายเส้นรวมกันเป็นไมโครไฟเบอร์ที่ประสานกัน ไมโครไฟเบอร์จะขนานกับแกนไฟเบอร์และแตกแขนงอย่างมาก ทำให้เกิดรูพรุนที่ยาวขึ้นโดยมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1–2 นาโนเมตร
