Każdy atom węgla tworzy cztery wiązania chemiczne. Węgiel najczęściej tworzy wiązania kowalencyjne, które są dwoma atomami współdzielącymi elektrony, ale czasami również tworzy wiązania jonowe występujące w związkach, takich jak węglik wapnia.
Węgiel ma sześć elektronów: dwa na wewnętrznej orbicie i cztery na zewnętrznej orbicie. Zewnętrzna orbita jest zakończona, gdy osiąga osiem elektronów, a więc atomy węgla tworzą kowalencyjne wiązania z innymi atomami z elektronami, którymi mogą się dzielić. Chociaż węgiel nie jest jedynym pierwiastkiem z czterema walencyjnymi lub zewnętrznymi elektronami, jest najmniejszy, pozwalając mu na wygodne dopasowanie jako część znacznie większych cząsteczek.
Dowolny związek zawierający kowalencyjnie związany węgiel uważany jest za związek organiczny. Ponad 10 milionów związków organicznych jest znanych chemikom, którzy ciągle syntetyzują więcej. Zdolność węgla do tworzenia łańcuchów węgiel-węgiel jest jednym z powodów, dla których węgiel może tworzyć tak wiele związków. Atomy węgla mogą tworzyć łańcuchy, złożone gałęzie i pierścienie. Węglowe wiązania z pierwiastkami poprzez dzielenie jednego, dwóch lub trzech elektronów, co pozwala na wiązanie z szerokim zakresem innych atomów. Wodór jest najczęstszym pierwiastkiem wiążącym się z węglem, ale azot, tlen, fosfor, siarka i halogeny, wraz z wieloma innymi rodzajami atomów, wiążą się z węglem, tworząc organiczne cząsteczki.
