碳纤维具有低密度、高强度、高模量、耐高温、耐化学腐蚀、低电阻、高热传导系数、低热膨胀系数、耐辐射等优异的性能。
(1) 力学性能碳纤维的结构取决于原丝结构与碳化工艺。
用X射线、电子衍射和电子显微镜研究发现，真实的碳纤维结构并不是理想的碳纤维结构，而是乱层石墨结构。
单晶石墨的理论强度和模量可达180GPa和1000GPa左右， 而碳纤维的实际强度和模量远远低于其理论值。
纤维中的缺陷如结构不均、直径变异、微孔、裂缝或沟槽、杂质等是影响强度的因素。
(2)物理性质碳纤维密度在1.5~2.0g/cm³之间，与原丝结构和碳化温度有关；膨胀系数有各向异性特点，平行于纤维方向为负值[(一0.72~-0.90)×10-6/℃]，垂直方向为正值[(22~32)×10-6/℃]；碳纤维的比热容为0.712kJ/(kg•K)；碳纤维在纤维方向上的热导率可以超过铜，最高可以达到700W/(m•K)。
(3)化学性能碳纤维的化学性质与碳很相似。
它除能被强氧化剂氧化以外，对一般酸碱多是惰性的。
在不接触空气时，碳纤维在高于1500℃时强度才下降。
另外，碳纤维还有很好的耐低温性能，还能耐油、抗放射、抗辐射、吸收有毒气体和减速中子等特性。