金刚石是碳的亚稳态同素异形体，其中碳原子以面心立方晶体结构的变化（称为金刚石晶格）排列。金刚石的稳定性不及石墨，但在标准条件下，金刚石向石墨的转化率可忽略不计。钻石因其具有最高级的物理品质而闻名，大多数来自其原子之间的强共价键。特别是，金刚石具有所有块状材料中最高的硬度和导热率。这些特性决定了金刚石在切割和抛光工具中的主要工业应用以及在金刚石刀和金刚石砧座中的科学应用。

由于其非常坚硬的晶格，因此可以被极少数类型的杂质（例如硼和氮）污染。少量缺陷或杂质（大约一百万个晶格原子）会使钻石蓝色（硼），黄色（氮），棕色（晶格缺陷），绿色（辐射暴露），紫色，粉红色，橙色或红色。钻石还具有较高的光学色散（能够散布不同颜色的光）。

大多数天然钻石是在高温高压下在地球地幔的140至190公里（87至118英里）深度处形成的。含碳矿物提供碳源，其增长发生在10亿至33亿年的时期（占地球年龄的25％至75％）。岩浆通过深层火山喷发将钻石带到地球表面，然后冷却成火成岩，称为金伯利岩和锂锰矿。钻石也可以通过HPHT方法合成生产，该方法可以近似模拟地幔中的情况。另一种完全不同的生长技术是化学气相沉积（CVD）。几种非金刚石材料，包括立方氧化锆和碳化硅，通常被称为金刚石模拟物，在外观和许多性能上都类似于金刚石。已经开发出特殊的宝石学技术来区分天然钻石，合成钻石和钻石模拟物。