在有机化合物中，碳原子的杂化形式有三种：sp³、sp²和sp杂化轨道。

(一)sp³杂化轨道

成键过程中，碳的2S轨道有一个电子激发到2Pz轨道， 3p轨道与一个s轨道重新组合杂化，形成4个完全相同的sp³杂化轨道。形状类似葫芦形，碳原子核位于正四面体的中心，四个sp³杂化轨道环绕在碳核的周围，指向四个顶点，相邻两个杂化轨道夹角均为109°28′，称为正四面体角。饱和碳原子均为sp³杂化。

(二)sp²杂化轨道

碳的基态2S轨道中的一个电子激发到2Pz空轨道，碳的激发态中一个2s轨道和二个p轨道重新组合杂化，形成三个相同的sp²杂化轨道，还剩余一p轨道未参与杂化。三个sp²杂化轨道处于同一平面，夹角均为120°，余下的一个未参与杂化的2Pz轨道，垂直于三个sp²杂化轨道所在的平面。当一个碳原子与其他三个原子直接键合，该碳原子为sp²杂化，sp²杂化碳呈平面三角形。一般双键碳均为sp²杂化。

(三)sp杂化轨道

碳的激发态中，一个2S轨道与一个p轨道重新组合杂化形成两个相同的sp杂化轨道，sp杂化轨道形状也类似葫芦形，轨道排列呈直线形，夹角为180°。剩余两个互相垂直p轨道都垂直于两个sp杂化轨道所呈的直线。sp杂化碳呈直线形。三键碳均为sp杂化。