碳纤维是高级复合材料的增强材料，具有轻质、高强、高模、耐化学腐蚀、热膨胀系数小等一系列优点，归纳如下：
(一)轻质、高强度、高模量
碳纤维的密度是1.6~2.15g/cm3,碳纤维拉伸强度在2.2GPa以上，模量在230GPa以上。因此，具有高的比强度和比模量，它比绝大多数金属的比强度高7倍以上，比模量为金属的5倍以上。由于这个优点，其复合材料可广泛应用于航空航天、汽车工业、运动器材等。
(二)热膨胀系数小
绝大多数碳纤维本身的热膨胀系数，室温为负数(-0.5~-1.6)×10-6/K，在200~400℃时为零，在小于1000℃时为1.5×10-6/K。由它制成的复合材料膨胀系数自然比较稳定，可作为标准衡器具。
(三)导热性好
通常无机和有机材料的导热性均较差，但碳纤维的导热性接近于钢铁。利用这一优点可作为太阳能集热器材料、传热均匀的导热壳体材料。
(四)耐化学腐蚀性好
从碳纤维的成分可以看出，它几乎是纯碳，而碳又是最稳定的元素之一。它除对强氧化酸以外，对各种酸、碱和有机化学药品都很稳定，可制成各种各样的化工防腐制品。我国已开始从事这方面的应用研究，随着今后碳纤维的价格不断降低，其应用范围会越来越广。
(五)耐磨性好
碳纤维与金属对磨时，很少损耗，用碳纤维来取代石棉制成高级的摩擦材料，已作为飞机和汽车的刹车片材料等。
(六)耐高温性能好
碳纤维在400℃以下性能非常稳定，甚至在1000℃时仍无太大变。复合材料耐高温性能主要取决于基体的耐热性，树脂基复合材料其长期耐热性只达300℃左右；陶瓷基、碳基和金属基的复合材料耐高温性能可与碳纤维本身匹配。因此碳纤维复合材料作为耐高温材料已广泛用于航空航天工业。
(七)突出的阻尼与优良的透声纳
利用这二种特点可作为潜艇的结构材料，如潜艇的声纳导流罩等。
(八)高x 射线透射率
发挥此特点已在医疗器械中得到应用。
(九)疲劳强度高
碳纤维的结构稳定，制成的复合材料，经应力疲劳数百万次的循环试验后，其强度保留率仍有60%，而钢材为40%，铝材为30%，而玻璃钢则只有20%~25%。因此设计制品所取的安全系数，碳纤维复合材料为最低。