碳纖維（英語：Carbon fiber），又稱石墨纖維，是一種具有很高強度和模量的耐高溫纖維，為化纖的高端品種。它主要由碳原子構成，直徑約5-10微米。為了產生碳纖維，碳原子在晶體中被鍵合在一起，平行排列的纖維長軸給予碳纖維相當高的強度-體積比。幾千條碳纖維集束在一起形成一個纖維束，其可以單獨使用或被編織成織物。

碳纖維的特性，如高硬度，高強度，重量輕，高耐化學性，耐高溫和低的熱膨脹，使其在航空航天，土木工程，軍事，賽車與其他競技體育運動製品很受歡迎。然而，相對於類似的纖維，例如玻璃纖維或塑料纖維，碳纖維是相當昂貴的。

碳纖維通常與其他材料結合以形成複合材料。當混合塑料樹脂並纏繞或模塑後具有非常高的強度 - 重量比的碳纖維增強聚合物（通常也被稱為碳纖維）。然而，碳纖維也會與其它如石墨的材料複合，以形成耐高溫的碳 - 碳複合材料。