根据X光衍射的大量试验，活性炭的X光衍射图和石墨衍射图类似，但它和石墨的结构不一样，为螺层形结构。活性炭就是由这些类石墨微晶无序构成的多孔体。根据对各种炭材料测试表明，它们的孔大体上分为三类，即大孔、中孔和微孔。这些孔就是活性炭具有吸附能力的本源。如果对活性炭进行加温，当温度升至1300℃时，活性炭就开始石墨化了，无序的微晶随着温度的升高逐渐趋向整齐，当温度升到2700℃时，活性炭就完全石墨化。它的导电性能也由半导体变成良导体。由此可见活性炭就是由类石墨微晶所构成。
活性炭表面含有多种化合物，当它吸附氧时就形成各种基团，在活性炭微晶边缘棱角处的原子或外露晶格缺陷、移位和断层处，是形成氧基团的主要部分。而这些氧基团又分为酸性和碱性两类。酸性基团主要有七种结构型式：羧基；酚羟基；醌型羰基；正内酯基（n一内酯基）；荧光型内酯基（f-内酯基）；羧酸酐基；环形氧基。前三种化合物是主要的，而两种内酯基都是从羧基衍生而来的。碱性基团主要有三种，它们均是色烯结构化合物。试验表明，碱性基团形成的量较少，被覆盖的表面积比起酸性基团少得多。活性炭表面除氧基团外性炭表面的能量分布是非均匀的；活性炭非但表面不均匀，而表面还有各种大小的孔，这各种大小的孔也是不均匀的，每种孔都在一个范围内分布，并不是均一大小，这些孔大小不一样，因而它的力场叠加效应就不一样；活性炭表面不是单纯一种物质，而是包含有各种不同物质的基团，它们在吸附过程中，各起不同的作用，有的是正效应，有的负效应。因此，活性炭表面是不均匀的，能量分布也是不均匀的，各种基团的生成也是不均衡的。因而想用一些理想模型来表征活性炭，那是不会得出什么好的结果的。
