碳纤维的主要原料是聚丙烯腈、沥青、黏胶、木质素、酚醛和其他有机纤维目前碳纤维的工业化产品主要是聚丙烯腈（PAN）基碳纤维和沥青（Pitch）碳纤维有两种，聚丙烯腈基碳纤维是最大的一种。
碳纤维制造过程的主要步骤分为稳定化处理（也称为非熔化处理或预氧化处理）碳化热处理石墨化热处理。稳定化热处理是使原丝不溶解，以防止其在随后的高温处理中熔化或粘结；碳化热处理通过高温去除原丝中一半以上的非碳元素；石墨化热处理通过在较高温度下加热将碳转变为石墨结构，从而改善碳化热处理中获得的碳纤维的性能。
典型碳纤维的制备
聚丙烯腈（PAN）基碳纤维
目前以聚丙烯腈为原料生产的碳纤维产量最高、品种最多、发展速度最快、采用最成熟的技术，生产主要包括两个过程前驱体生产和前驱体碳化。前驱体生产主要包括聚合、脱泡、计量、喷丝、牵引、水洗、上油、烘干收丝等工序；碳化过程主要包括纺丝、预氧化（220~280℃）低温碳化（300~1000℃）高温碳化（1000~1800℃）表面处理、上浆烘干、收丝卷绕等工序。在不同的高温碳化温度下可以生产不同强度等级的碳纤维，例如在1200~1250℃的高温碳化温度下可以生产普通碳纤维；高温碳化温度约1600℃，车身采用高强度中档碳纤维包裹；在氩气中进一步石墨化，热处理温度为2000~3000℃，使碳纤维由无定形态转变为非晶态、将无序石墨结构转变为三位石墨结构，可获得高模量石墨纤维或高强度高模量高性能碳纤维。
沥青（Pitch）基碳纤维
碳纤维的基本结构单元是六边形网状平面，其结构缺陷、它的大小和方向决定了它的性能。碳纤维的理想结构由一个完整的六边形网状平面组成这种碳纤维的理论拉伸模量应为1020GPa，理论拉伸强度为180GPa。碳纤维的实际拉伸模量和强度达不到理论值，说明碳纤维结构模型不是理想结构。
碳纤维的另一个结构特征是存在15%~20%孔隙和微孔长且平行于纤维轴，直径为1~2纳米，长度至少为20~30纳米孔隙的存在和螺旋层中碳层之间的分离使纤维密度小于石墨的理论密度。纤维结构显示碳纤维具有细纤维的分支结构，基本结构单元室宽6nm、长度为几千纳米，几个带结合在一起形成粘合的微纤维，微纤维的取向与纤维轴高度平行。
碳纤维的石墨结构具有明显的各向异性，六方碳网络在平面内共价键强，层间范德华力弱，因此其力学性能具有明显的各向异性。
碳纤维的物理性能反映在它的低密度上（1.5~2.0g/cm3）质量轻、相当于1的钢的密度/4、铝合金密度的1/2。它具有各向异性，热膨胀系数小，热导率随温度的升高而降低，并且耐突然冷却和快速加热。导电性能良好，25℃时高模量纤维的电阻率为7.75x10-2Ω·高强度纤维的电阻率为1.5x10-1Ω·m。这使得碳纤维在所有高性能纤维中具有最高的比强度和比模量。同钛、钢、与铝等金属材料相比，碳纤维在物理性能上具有很大的强度、模量高、密度低、线膨胀系数小等。
碳纤维不接触空气和氧化剂，能承受3000℃以上的高温，耐热性突出与其他材料相比，碳纤维的强度在温度高于1500℃时开始下降，温度越高，纤维强度越大。碳纤维的径向强度不如轴向强度，所以碳纤维要避免径向强度（即不能打结）此外，碳纤维还具有良好的耐低温性能，如在液氮温度下不脆化。
碳纤维化学性质稳定，耐高低温性能好，在非氧化环境中3000℃不熔化、不软化，在液氮温度下仍然非常柔软和脆化，在600℃下具有相同的性能-180℃时具有良好的柔韧性。良好的耐酸性，对酸呈惰性，耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。具有良好的耐腐蚀性、辐射性能。碳纤维还有耐油、抗放射、吸收有毒气体并减缓中子速度。
碳纤维是通过各种编织工艺和设备制成二维的、三维和多维中间预制件用于制造不同类型和用途的复合材料。纺织织造技术主要是有机织造、编织、非织造、针织和缝织。最常用的机织物是平纹织物和斜纹织物。机织物是二维或三维编织的中间预制件，可以是绳子、带、管和各种异形织物等。
在民用航空领域，如波音767和空客A310，碳纤维复合材料占结构质量的3%~5%A380大约使用了30~35t的先进纤维复合材料，主要是碳纤维环氧复合材料。空客A380和波音787使用的碳纤维复合材料数量已占总结构质量的50%碳纤维复合材料已逐渐成为制造大型飞机的主要材料。
碳纤维增强复合材料在交通运输中的应用主要包括汽车骨架、螺旋桨芯轴、轮毂、缓冲器、弹簧片、引擎零件、船舶等的加固材料。特别是在汽车上，有很大的应用潜力。福特曾经把尸体、车架和其他部件采用碳纤维复合材料，整车重量减轻了33%同时，振动和噪音也大大降低。日本使用约0.16t碳纤维增强树脂基复合材料制造了一辆电动概念车，总质量仅为846千克。兰博基尼使用碳纤维复合材料制造自行车，质量仅为8.5公斤，抗冲击能力强。
碳纤维复合材料广泛用于运动器材，如高尔夫球杆、棒球棒、滑雪板、网球拍、鱼竿等由碳纤维复合材料制成的球拍重量更轻，手感和硬度更好，吸收振动和冲击更好，使用寿命更长。碳纤维复合材料还广泛用于运动和休闲自行车部件。
碳纤维复合材料仍在武器工业中使用、它广泛应用于化学工程和机械工程。碳纤维与塑料、树脂结合形成的复合材料应用于电磁屏蔽材料时，是一种结构和功能一体化的理想壳体材料。碳纤维还用于工业和民用建筑、铁路、公路、桥梁、隧道、烟囱、塔式结构的钢筋密度低、强度高、耐久性好、应变能力强、耐腐蚀性和耐酸性强、碱等化学物质的腐蚀，具有良好的柔韧性。由碳纤维管制成的桁架屋顶比钢轻50%大约，使大型结构达到实用水平，施工效率和抗震性能大大提高用碳纤维加固混凝土结构时，不需要用螺栓和铆钉固定，对原混凝土结构扰动小，施工工艺简单。