钻石主要是由碳组成的，除此之外，还含有硅、镁、钙、镍、锰、铝、钠、钡、铁、钴、铬、钛、硼、氮等许多杂质元素和碳氢化合物。杂质元素常以包裹体的形式存在，并以无色透明的晶体形成细小包裹体（如针尖大小），其折射率与钻石的折射率相差愈大，包裹体在钻石中就愈明显。
钻石属于等轴晶系，每个碳原子都与其周围4个碳原子相连接，形成四面体配位。两个碳原子之间的距离相等，为1.54纳米，这种紧密而有规则的结构决定了钻石的高硬度、高熔度、不导电、抗酸碱性及抗腐蚀性的优异性能。
