金刚石是一种共价键结晶体，每个碳原子都与四个邻近的碳原子形成共价键。这种共价键结构确保了金刚石的硬度和稳定性。由于金刚石的晶体结构是由四面体构成的，每个碳原子最多有六个邻居，因此金刚石最多只能有六个碳共面。如果超过六个碳原子处于同一平面上，则会破坏四面体结构，导致晶体不稳定并失去其硬度和其他特性。因此，金刚石的晶体结构和原子排列是保证它的硬度和稳定性的关键。
金刚石的晶体结构模型。
金刚石的晶胞是面心晶胞，做一个独立的晶胞模型要 18个碳原子（顶点8 个，面心上下左右前后 6 个，体内两层对角线各 2 个共 4 个），运用切割法，属于一个晶胞中的应是 8个碳原子。
金刚石晶胞为面心立方结构，即在一个立方体的每个顶点有一个原子（共八个），在每一个面的中心有一个原子（共 6 个）。
每一个在顶点上的原子为 8 个立方体所共用（在空间结构上，每个晶胞紧密连接），因此每个原子对于此晶胞的贡献为 1/8；同理面上的原子对于晶胞的贡献为1/2，所以每个晶胞内含有的原子数=8*1/8+6*1/2=4。 在晶体学中，金刚石结构又称为金刚石立方晶体结构，原型是金刚石。金刚石结构中的每个原子与相邻的 4 个原子形成正四面体，故单胞内原子数为 5。具有金刚石结构的晶体除了金刚石以外，还有硅、锗、α-锡等。
在金刚石的晶体中，碳原子的采用 sp3 杂化，碳原子以共价键形成的一种空间网状结构，每一个碳原子与周围的四个碳原子形成一个正四面体，即正四面体中心的一个碳原子参与形成 4 个 C-C 单键，这是由于共价键的饱和性和方向性决定的，这样经过任意一个碳原子的任意两条 C—C 共价键的键角是 109.5°，每个碳原子对一个 C-C 单键的"贡献"都是 1/2，所以，正四面体中心的这个碳原子参与形成的 C-C。
金刚石的密度可以计算出来。
因为金刚石的密度是单位体积内所含质量的重量比，一般用克/立方厘米或克/毫升表示。
金刚石的化学式为C，其摩尔质量为12.01，密度为3.51克/立方厘米，所以金刚石的密度可以通过其摩尔质量和密度计算出来。
另外，如果知道金刚石的质量和体积，也可以通过质量与体积之比计算出其密度。