Hiilikuidut, joiden halkaisija on vain 5 mikrometriä, mikä vastaa yhdestä -yhdestä kahdestoistaosaan ihmisen hiuksen paksuudesta, ovat yli neljä kertaa vahvempia kuin alumiiniseokset. Hiilikuidut ovat monikiteistä materiaalia, joka koostuu epätäydellisesti kiteytyneestä grafiitista, joka on järjestetty kuidun akselia pitkin. Grafiitilla on kerrosrakenne; jokaisessa kerroksessa hiiliatomit on järjestetty kuusikulmioihin, jolloin jokainen atomi muodostaa sp2-hybridiorbitaalit, joissa on kolme vierekkäistä hiiliatomia ja yksi hybridisoimaton orbitaali. Hybridisoimattomat kiertoradat antavat grafiitille korkean lämmön- ja sähkönjohtavuuden sen yhdensuuntaisella perustasolla. Nämä kerrokset pinoutuvat yhteen muodostaen kolmiulotteisen grafiitin kiderakenteen, jonka kerrosten välinen etäisyys on 0,334 nm. Kerrosten välinen sidos tapahtuu van der Waalsin voimien avulla. Tämä antaa sille korkean anisotropian. Kimmomoduuli: 1060 GPa kuormitettuna perustason suuntaisesti, 36,5 CPa kuormituksen alaisena kohtisuorassa perustason kanssa ja 4 GPa:n leikkauskuormitus perustason kanssa.
Grafiittitasoa voidaan pyörittää akselin ympäri, mikä menettää kolmiulotteisen kiteisen grafiitin ABAB-pinoamissekvenssin ja tuottaa hyvin -tutun kaksiulotteisen kierteisen hiilen kiderakenteen. Kierteisen hiilen kerrosten välinen etäisyys on suurempi kuin grafiitilla yleensä. PAN:sta (poly(alkyleenioksidi)) valmistetut korkeamoduuliset hiilikuidut ovat kierteisiä kerroskiteitä, joissa grafiittikerrosten etusijalla on kuidun akselin suuntainen suunta. Kiteen rakenne määräytyy kahdella parametrilla: leveys (samansuuntainen kuidun akselin kanssa) ja korkeus (suorassa kuidun akseliin nähden). Kuitumoduuli riippuu voimakkaasti kerroksen orientaatioasteesta, joka kasvaa lämpökäsittelyn lämpötilan noustessa ja venyessä kuidun valmistuksen aikana.
Toinen hiilikuitujen rakenteellinen ominaisuus on 15–20 %:n huokoisuus rakeiden välillä. Nämä mikrohuokoset ovat pitkänomaisia ja mieluiten samansuuntaisia kuituakselin kanssa. Mikrohuokosten halkaisija on 1–2 nm ja niiden pituus vähintään 20–30 nm. Huokosten läsnäolo ja kierteisten hiilikerrosten suurempi kerrosten erotus johtavat kuitutiheyteen, joka on pienempi kuin grafiitin teoreettinen tiheys. PAN-pohjaisten hiilikuitujen rakenteen röntgendiffraktio- ja elektronidiffraktiotutkimukset paljastavat haarautuneen mikrokuiturakenteen, jonka perusrakenneyksikkö on 6 nm leveä, tuhansia nanometrejä pitkä nauha{13}}kaltainen kerros. Useat nauhat yhdistyvät muodostaen sidottuja mikrokuituja. Mikrokuidut ovat hyvin samansuuntaisia kuidun akselin kanssa ja haarautuvat muodostaen pitkänomaisia, halkaisijaltaan 1–2 nm huokosia.
