鉆石的主要成分是碳(C)， 含C量96%-99.9%。即使很純凈的鉆石也含有0.001%的雜質。鉆石中的雜質組分有Si、Al、Ca、Mg、Mn、Ti、Cr、N 等。 除 N 以外，其余雜質通常都以礦物包裹體形式存在，鉆石中常含有磁鐵礦、鈦鐵礦、鎂鋁榴石、鉻透輝石、橄欖石、石墨等礦物包裹體。
氮(N)是鉆石中一種重要的雜質組分，N在鉆石晶體結構中組成各種缺陷中心，可以單個N、A中心、B中心、N3小晶片等形式存在。 根據N的含量和聚結形式可將鉆石劃分為Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型鉆石含N量較多(0.05%-0.3%)。 Ⅰa型鉆石中N以N3小晶片形式存在，Ⅰb型鉆石中N以分散狀態的順磁方式存在。
Ⅱ型鉆石含N量較少(<0.05%)，N呈自由狀態存在。Ⅰ型和Ⅱ型鉆石在某些物理性質上有所不同。自然界的鉆石絕大部分是Ⅰ型鉆石。
鉆石為等軸晶系，晶體結構為立方面心格子，晶胞參數a°=3.56A(1A=1mm/1千萬)(見左圖)。C原子位于立方晶胞的八個角頂和六個面中心，并在其八個小立方格的半數中心相間地分布著四個C原子，每個C原子都與周圍四個C原子相連接，每兩個相鄰C原子之間的距離都相等(1.54A)。這種結構C原子間形成極其牢固的共價鍵， 要分開這種化學健必須給以很大的能量。這就決定了金剛石具有一些特殊的性質，如極高的硬度和化學穩定性。
鉆石的晶形最常見的是八面體，其次是菱形十二面體，較少見的是立方體。此外，可長成各種復雜形態的聚形或歪晶。