Nguyên nhân dẫn đến hiện tượng trên là do cấu trúc tinh thể và liên kết hóa học của các nguyên tử carbon trong than chì và kim cương khác nhau.
Trong than chì, các nguyên tử carbon được liên kết với nhau thông qua liên kết hóa học đơn, tạo thành mạng tinh thể không gắn kết chặt. Do đó, than chì có cấu trúc tinh thể không đều, không liên kết chặt, dẫn đến tính chất mềm và dễ dàng bẻ gẫy.
Trong khi đó, kim cương có cấu trúc tinh thể rất đặc biệt. Mỗi nguyên tử carbon trong kim cương được liên kết với 4 nguyên tử carbon khác thông qua liên kết hóa học kép, tạo thành một cấu trúc tinh thể rất chặt chẽ và đều đặn. Cấu trúc tinh thể này tạo nên tính chất cứng và khả năng chịu lực cao của kim cương.
Do sự khác biệt trong cấu trúc tinh thể và liên kết hóa học, than chì có tính chất mềm, dễ dàng bẻ gẫy và có giá thành rẻ, trong khi kim cương có tính chất cứng, khó bị biến dạng và có giá thành đắt đỏ.