Kim cương thật ra chỉ được tạo từ carbon, cùng loại nguyên tử làm nên than chì trong ruột bút chì. Điều làm nên sự khác biệt là cách các nguyên tử sắp xếp. Trong kim cương, mỗi nguyên tử carbon nắm tay thật chặt với bốn nguyên tử lân cận, tạo thành một mạng lưới ba chiều đan kín và đều đặn. Cấu trúc bền vững đó khiến không có mặt phẳng yếu nào để trượt hay bẻ gãy, nên kim cương cứng đến mức chỉ kim cương khác mới làm xước được nó.

Cốt lõi của độ cứng nằm ở kiểu liên kết và cách sắp xếp nguyên tử. Các mối nối giữa những nguyên tử carbon trong kim cương thuộc loại liên kết rất mạnh, lại tỏa đều theo cả bốn hướng trong không gian, nên lực tác động từ phía nào cũng gặp sự chống đỡ vững chắc. Cùng là carbon nhưng than chì lại sắp thành từng lớp mỏng chỉ liên kết lỏng lẻo với nhau, nên các lớp dễ trượt và bong ra, khiến than chì mềm đến mức bôi được lên giấy. Chính sự khác nhau về cấu trúc, chứ không phải về thành phần, quyết định vì sao một dạng thì cứng nhất còn dạng kia lại mềm.

Chính nhờ độ cứng này mà kim cương không chỉ dùng làm trang sức. Trong công nghiệp, người ta gắn mạt kim cương lên lưỡi cưa, mũi khoan và đá mài để cắt gọt bê tông, đá granit hay kính, những thứ mà lưỡi thép thường bị mòn ngay. Một viên kim cương có thể rạch xước mặt kính dễ dàng, trong khi điều ngược lại thì không xảy ra. Đó là bằng chứng trực quan cho việc nó đứng đầu bảng độ cứng của các vật liệu tự nhiên.

Nhiều người nghĩ cứng nhất nghĩa là không thể phá vỡ, nhưng cứng và bền là hai chuyện khác nhau. Kim cương rất cứng, tức khó bị xước, nhưng lại khá giòn: một cú gõ đúng hướng có thể làm nó nứt hoặc vỡ. Cũng có người tưởng kim cương và than chì là hai chất hoàn toàn khác nhau, trong khi chúng đều là carbon, chỉ khác ở cách các nguyên tử liên kết và sắp xếp.