活性炭由已石墨化的活性炭微晶和活性炭原料中未石墨化的非晶炭質構成活性炭的基本炭質，并由這些炭質與炭微晶相互連接構筑成活性炭的塊體和空隙結構。活性炭通常被認為是無定形炭，又被認為是屬于微晶類的炭系。X射線衍射分析表明，活性炭的結構中包含有石墨微晶，這些微粒是尺寸為1-3nm的結晶。根據賴利（Riley）的X射線分析數據，除了石墨微晶外，活性炭還含有1-3個無定形炭，并且還有雜原子，由石墨微晶和無定形炭所構成的多相物質決定著活性炭獨特的結構。
在石墨結構中，碳原子以sp2雜化成鍵，剩余的一個p軌道相互平行重疊，形成大π鍵進而形成石墨的平面網狀結構，平面網狀之間平行而規律性地排列著（面網之間的作用力為范德華力），形成規整的三維結構，其中C-C鍵的長度為1.42?，面網間距為3.35?，其結構如圖1-1（a）所示，所以石墨具有導電、導熱和潤滑性能等特性。
活性炭屬于一種無定性炭（如木炭、炭黑、焦炭），但與活性炭起初的原料如木材和果殼等相比，活性炭原料經炭化、活化等過程后，其中部分碳原子之間已形成了微晶炭（活性炭的基本結晶），其面網結構與石墨類似，但在層片大小、層面內碳原子的六角形排列的完善度、平面化程度以及層間距等方面與石墨比較存在著不同程度的差異。除微晶炭外，活性炭前軀體經炭化、活化等過程后仍然有部分未晶化的炭，活性炭被認為是由微晶群和其他未組成平行層的單個網狀平面以及無規則炭組成的多相物質。
目前，在X射線分析的基礎上，已發現活性炭的微晶炭有兩種不同的結構，一種是類石墨結構的微晶炭，其大小隨炭化溫度而變化，大小約由三個平行的石墨層所組成，其寬度約為一個炭六角形的9倍，它與石墨相比，微晶炭中平面面網之間排列不整齊，稱為“亂層結構”，與石墨結構的比較如圖1-1所示；另外一種微晶炭是由于石墨網結構之間的軸向不同，面網之間的間距也不整齊，或石墨層間扭曲，可能因雜原子（如氧、氮等）的侵入而穩定， 炭六方面網被空間交聯而形成無序的結構。Riley認為， 在大部分炭材料中（包括活性炭）均含有這兩種結構類型，而活性炭的最終特性則取決于它是以哪種類型的結構為主。
弗蘭克林把除金剛石以外的炭素物質分為容易石墨化的易石墨化炭素和難以石墨化的不易石墨化炭素（見圖1-2）。其中不易石墨化的炭素是軟的，易石墨化的炭素是硬的，他還認為，易石墨化的炭素可能是由亂層結構組成的，而不易石墨化的炭素可能是由具有交叉連鎖的晶格結構構成。
