La fibra di carbonio è un materiale avente una struttura filiforme, molto sottile, realizzato in carbonio, utilizzato in genere nella realizzazione di una grande varietà di "materiali compositi", che sono così chiamati in quanto sono costituiti da due o più materiali.
Le fibre di carbonio si usano prevalentemente per rinforzare i materiali plastici. I materiali compositi, così ottenuti sono materiali con prestazioni elevatissime, in termini soprattutto di resistenza a parità di peso. Presentano anche un gradevole aspetto esteriore e sono economicamente convenienti.
Le fibre di carbonio sono costituite da grafite purissima e vengono utilizzate per la fabbricazione di tessuti ad elevate prestazioni e si distinguono per: l'ottima resistenza meccanica (3,1-4,5 GPa), l'alto modulo elastico (220-800GPa), la bassa densità (1,7-2,1 gr/cm3) quindi il peso modesto.
Le fibre di carbonio sono un polimero di atomi di carbonio strutturato in forma grafitica ovvero da esagoni legati tra loro in modo da formare dei piani di carbonio grafitico.
La struttura atomica della fibra di carbonio è simile a quella della grafite, consistendo in aggregati di atomi di carbonio a struttura planare (fogli di grafene) disposti secondo simmetria esagonale regolare. La differenza consiste nel modo in cui questi fogli sono interconnessi.