Chemik i fizjolog, Jan Baptista van Helmont (1577-1644) odkrył, że dwutlenek węgla, CO2, jest gazem, który powstaje podczas spalania. Stwierdził on również, że CO2 jest cięższy od powietrza, nie podtrzymuje płomienia i nadał mu nazwę "gaz leśny" (gas silvestre). W 1755 roku szkocki chemik i lekarz, Joseph Black, zauważył, że CO2 powstaje w wyniku oddychania. Nie udało mu się jednak ustalić składu chemicznego tego gazu. Uczynił to dopiero Antoine Lavoisier, który wprowadził także pojęcie "kwas węglowy", oznaczające wodne roztwory CO2. Dwutlenek węgla (oraz większość znanych wówczas gazów, oprócz azotu i tlenu) po raz pierwszy skroplił w 1823 roku Michael Faraday. Natomiast zestalenie tego związku udało się Thilorierowi w 1835 roku.
Węgiel znany był już w prehistorii. W średniowieczu grafit był używany do pisania i produkcji tygli alchemicznych. Pierwiastek ten stanowi podstawę życia na Ziemi, ponieważ wchodzi w skład związków budujących wszystkie żywe organizmy. Ilość związków węgla, występujących w przyrodzie oraz otrzymanych sztucznie, przewyższa liczbę związków wszystkich pozostałych pierwiastków (oprócz wodoru), co jest związane z tym, że atomy węgla mogą się łączyć ze sobą, a poza tym mogą to być wiązania podwójne, a nawet potrójne. Węgiel oraz jego związki są bardzo ważnymi surowcami chemicznymi oraz energetycznymi.
Pierwiastek ten jest niemetalem, który nie rozpuszcza się w wodzie, zasadach oraz kwasach, a ulega rozpuszczeniu w wielu metalach stopionych. Wykazuje on małą aktywność chemiczną. W temperaturze pokojowej ulega reakcji jedynie z fluorem. Węgiel występuje w przyrodzie w stanie wolnym w dwóch odmianach alotropowych (jako minerały: diament i grafit). Znana jest również trzecia odmiana alotropowa węgla - fullereny (otrzymana sztucznie). Grafit to czarny, tłusty w dotyku, miękki minerał. Charakteryzuje się dużym przewodnictwem elektrycznym i cieplnym. Diament to najtwardszy z minerałów spotykanych w przyrodzie. Ma silny połysk i wysoki współczynnik załamania światła. Może być bezbarwny, czasami z niebieskim lub żółtym odcieniem, różowy, zielony, brunatny, a niekiedy nawet czarny (karbonado). Diament ogrzewany bez dostępu powietrza przechodzi w grafit.
Węgiel występuje w przyrodzie przeważnie w stanie związanym w postaci węglanów oraz dwutlenku węgla. Zajmuje on czternaste miejsce pod względem rozpowszechnienia.
Węgiel znajduje się w czternastej grupie układu okresowego, a jego stopnie utlenienia to +II i +IV, -IV.
