Koolstofvezel is een vezelachtig koolstofmateriaal. Het is een nieuw type materiaal met een grotere sterkte dan staal, een kleinere dichtheid dan aluminium, een sterkere corrosieweerstand dan roestvrij staal, een hogere temperatuurbestendigheid dan hittebestendig staal en geleidend als koper, met veel waardevolle elektrische, thermische en mechanische eigenschappen. Van koolstofvezel wordt hoofdzakelijk koolstofvezelversterkte kunststof gemaakt, een composietmateriaal voor toepassing. Elke koolstofvezel is samengesteld uit duizenden kleinere koolstofvezels, met een diameter van ongeveer 5 μm ~ 8 μm. Op atomair niveau lijkt koolstofvezel sterk op grafiet, bestaande uit lagen koolstofatomen gerangschikt in zeshoekige vormen. Het verschil tussen koolstofvezel en grafiet is de verbinding tussen de lagen. Grafiet is een kristalstructuur, de tussenlaagverbinding is los, terwijl koolstofvezel geen kristalstructuur is, de tussenlaagverbinding is onregelmatig, wat slippen kan voorkomen en de sterkte van de materie kan vergroten.
Over het algemeen is de dichtheid van koolstofvezel 1750 kg/m3, is de thermische geleidbaarheid hoog, maar is de krachtoverdrachtscapaciteit laag en is de specifieke warmtecapaciteit van koolstofvezel ook lager dan die van koper. Bij verhitting wordt koolstofvezel dikker en korter. Hoewel de natuurlijke kleur van koolstofvezel zwart is, kunnen wetenschappers deze in verschillende kleuren verven.