碳纖維的主要用途是與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合，制成結構材料。碳纖維增強環氧樹脂復合材料，其比強度、比模量綜合指標，在現有結構材料中是最高的。在密度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領域，在要求高溫、化學穩定性高的場合，碳纖維復合材料都頗具優勢。
碳纖維是50年代初應火箭、宇航及航空等尖端科學技術的需要而產生的，現在還廣泛應用於體育器械、紡織、化工機械及醫學領域。隨著尖端技術對新材料技術性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不斷努力提高。80年代初期，高性能及超高性能的碳纖維相繼出現，這在技術上是又壹次飛躍，同時也標誌著碳纖維的研究和生產已進入壹個高級階段。
由碳纖維和環氧樹脂結合而成的復合材料，由於其比重小、剛性好和強度高而成為壹種先進的航空航天材料。因為航天飛行器的重量每減少1公斤，就可使運載火箭減輕500公斤。所以，在航空航天工業中爭相采用先進復合材料。有壹種垂直起落戰鬥機，它所用的碳纖維復合材料已占全機重量的1/4，占機翼重量的1/3。據報道，美國航天飛機上3只火箭推進器的關鍵部件以及先進的MX導彈發射管等，都是用先進的碳纖維復合材料制成的。
現在的F1（世界壹級方程錦標賽）賽車，車身大部分結構都用碳纖維材料。頂級跑車的壹大賣點也是周身使用碳纖維，用以提高氣動性和結構強度
碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。傳統使用中碳纖維除用作絕熱保溫材料外，壹般不單獨使用，多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構成復合材料。碳纖維增強的復合材料可用作飛機結構材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用於制造火箭外殼、機動船、工業機器人、汽車板簧和驅動軸等。