晶体结构热解石墨是由碳原子组成六角层面，但很不完善，不具备三维有序性，仅仅是平行堆积，称为“乱层堆积”结构。热解石墨的层面间距因沉积温度的不同而有所变化，沉积温度越高，面间距越小，石墨化程度越高，在1600～2300℃范围内沉积的热解石墨面间距在0.344～0.341nm之间，这是碳的结构，而晶格参数a却保持不变为0.246nm。
热解石墨的显微结构主要受沉积温度及基体表面粗糙度的影响，在沉积面上可看到圆形凹凸不平浮雕般的状态。其断面有两种结构即锥体从基体一次生长至表面的一次成核结构及在沉积过程中不断产生新的小锥体的连续成核再生结构。
性能
力学性能：在1500℃以下沉积的层状结构具有较高的弹性模量与断裂强度。它们随着沉积温度的降低而上升。
辐照性能：热解炭经受中子辐照后，会出现尺寸的变化，变化的幅度受热解炭的结构、中子剂量和辐射温度等因素影响。热解炭尺寸的变化，必然使其密度及各向异性性能相应的改变，大于1400℃沉积的热解炭经辐照处理后，其弯曲弹性模量、弯曲强度均有较大幅度的增加，但层状结构的热解炭其弯曲强度基本不受影响。
化学稳定性：对水、有机溶剂及多数酸碱都很稳定，但对铬酸和氯酸溶液、浓硫酸及浓硝酸易起化学作用。
应用
流化床生产的热解炭主要用于核燃料颗粒表面的涂层，防止裂变产物的泄漏。此外亦用来制作人造炭质心瓣、轴承等。非流化床生产的热解石墨用于火箭喷管的喉衬、卫星姿态控制用抗磁球、电子管栅极、冶炼高纯金属用坩埚、调压器用电刷、激光器的放电腔、高温炉用保温材料及半导体生产用外延片等。