碳纤维是一种具有优异力学性能的新型材料，兼具碳材料的强拉伸强度和纤维的柔软加工性能。碳纤维的拉伸强度约为7GPa，拉伸模量约为200-700 GPA。密度约为1.5-2.0克/立方厘米，这与前驱体的结构有关，主要取决于碳化温度。一般在3000℃石墨化后，密度可达2.0g/cm3。另外，它的重量很轻，比重比铝轻，不到钢的1/4，比强度是铁的20倍。

碳纤维的热膨胀系数不同于其他纤维，具有各向异性的特点。碳纤维的比热容一般为7.12。热导率随着温度的升高而降低，平行于纤维方向为负(0.72至0.90)，垂直于纤维方向为正(32至22)。

碳纤维的电阻率与纤维类型有关。在25℃时，高模量为775，高强度碳纤维为1500根/厘米。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。

碳纤维除了具有普通碳素材料的特性外，在形状上具有显著的各向异性柔软性，可以加工成各种织物。由于其比重小，沿纤维轴显示出高强度。碳纤维增强环氧树脂复合材料的比强度和比模量综合指标是现有结构材料中最高的。