Timantti ja grafiitti ovat molemmat hiilen allotroopeja. Vaikka molemmat koostuvat hiiliatomeista, niiden atomiorganisaatio on täysin erilainen. Kun hiiliatomi muodostaa kovalenttisia sidoksia ympäröivien hiiliatomien kanssa, on olemassa kaksi erilaista sidosmuodostumaa. Timantissa hiiliatomit on järjestetty tavallisessa tetraedrisessa kuviossa, kun taas grafiitissa hiiliatomit on järjestetty kuusikulmaisiin kerroksiin.
1800-luvun lopulla Lavoisier tunnisti timantin kiteisenä hiilen muodossa, mutta timantin kiderakenne määritettiin ensin Braggilla vuonna 1913. Hän säteilytti timantin röntgenkuvilla ja sai valokuvan kidehityksen röntgendiffraktiokuviosta, joka osoitti timandin kiteisiä ominaisuuksia.
Tetrahedronien lisäksi luonnollisiin timanteihin kuuluvat myös kuutiot (CD), heksahedronit (HD), oktaedronit (OD) ja dodekaedronit. Hiiliatomit, jotka muodostavat timanttikiteitä, on sidottu kovalenttisesti, sidoksen pituudet ovat yhtä pituisia, 0,15 nm. Diamond on anisotrooppinen, mikä tarkoittaa, että monet sen ominaisuuksista ovat suunnassa riippuvaisia.
Tetraedrossa symmetrian keskustassa sijaitsevilla hiiliatomeilla on heikompia sidosvoimia, mikä tekee timantista alttiita pilkkoutumiselle siellä. Timantin tyypillisissä kidekasvoissa ja grafiitin hiutaleisessa rakenteessa grafiittialekkeissa olevien hiilisidosten pituus on 0,142 nm, mikä tekee niistä erittäin vahvoja. Levyjen väliset sidokset ovat kuitenkin vain 0,335 nm pitkiä, mikä tekee näistä pitkistä sidoksista erittäin heikkoja. Tämä antaa grafiittiä erinomaisen voitelun. Timanttikiteitä koostuvat hiiliatomeista, joita pidetään yhdessä kovalenttisilla sidoksilla.