生产碳纤维的主要原料是聚丙烯腈(PAN)、沥青和粘胶

碳纤维不能用熔融法或溶液法直接纺丝，只能以有机纤维为原料，采用间接方法来制造。有机纤维（原丝）选择的条件是：强度高、杂质少、缺陷少、纤度均匀、毛丝少、细旦化等；纤维中链状分子沿纤维轴取向度越高越好，通常大于80%；热转化性能好。基本条件要满足原丝加热时不熔融，可牵伸，且碳纤维产率高。碳纤维的生产制造过程主要有预氧化（稳定化）​、低温碳化、高温碳化（又称石墨化）​、表面处理、上浆和干燥六大工艺步骤。经过多年的发展，目前只有粘胶（纤维素）基纤维、沥青基纤维和聚丙烯腈基纤维三种原丝制造碳纤维工艺实现了工业化。

（1）以粘胶基纤维为原丝制造碳纤维
由粘胶纤维制取高力学性能的碳纤维必须经高温拉伸石墨化，碳化收率低，技术难度大、设备复杂，产品主要为耐烧蚀材料及隔热材料所用。粘胶纤维由于具有环状分子结构，所以可以直接进行碳化或石墨化处理，加热不会熔融，不需氧化处理进行环化。粘胶纤维优点是瞬间耐烧蚀性能好，可用作火箭的内衬材料；其缺点是粘胶中含有大量的H、O原子，所以碳化理论收率仅有55%，实际收率为20%～30%；粘胶基碳纤维强度较低，性能平衡性差，弹性系数较大。粘胶纤维的热处理过程：一是25～150 ℃，脱去粘胶纤维的吸附水（脱去物理吸附的水）​；二是150～240 ℃，纤维素环的脱水（脱去化学吸附的水）​；三是240～400℃，自由基反应，C—O键及C—C键断裂，放出H2O、CO、CO2等气体；四是400 ℃以上，进行芳香化，放出H2。在整个处理过程中，为使碳纤维性能优良、产率高，要求加热速度较慢，而且不同的过程中，加热速度也不同。粘胶基碳纤维增强的耐烧蚀材料，可以制造火箭、导弹和航天飞机的鼻锥及头部的大面积烧蚀屏蔽材料、固体发动机喷管等，是解决宇航和导弹技术的关键材料。粘胶基碳纤维还可做飞机刹车片、汽车刹车片、放射性同位素能源盒，也可增强树脂做耐腐蚀泵体、叶片、管道、容器、催化剂骨架材料、导电线材及面发热体、密封材料及医用吸附材料等。

（2）以聚丙烯腈基纤维为原丝制造碳纤维
聚丙烯腈基碳纤维的碳化收率比粘胶纤维高，可达45%以上，而且因为生产流程、溶剂回收、三废处理等方面都比粘胶纤维简单，成本低，原料来源丰富，加上聚丙烯腈基碳纤维的力学性能，尤其是抗拉强度、抗拉模量等为三种碳纤维之首，所以是目前应用领域最广、产量也最大的一种碳纤维。聚丙烯腈碳纤维是以聚丙烯腈纤维为原丝制成的碳纤维。由聚丙烯腈纤维原丝制备碳纤维的工艺流程包括：聚丙烯腈原丝→预氧化→碳化→石墨化→表面处理→卷取→碳纤维。

（3）以沥青基纤维为原丝制造碳纤维
除天然沥青外，一般将有机化合物在隔绝空气或在惰性气体中热处理，在释放出氢、烃类和碳的氧化物的同时，残留的多环芳烃的黑色稠状物质称为沥青。其含碳量大于70%，平均分子量在200以上，化学组成及结构千变万化，它们是结构变化范围极宽的有机化合物的混合物。沥青资源丰富，成本可降低。在民用方面有很大潜力。沥青基碳纤维目前主要有两种类型：一是力学性能较低的所谓通用级沥青基碳纤维，即各向同性沥青基碳纤维；二是拉伸强度特别是拉伸模量较高的中间相沥青基碳纤维（蝶状液晶材料）​，即各向异性沥青基碳纤维。

与聚丙烯腈基碳纤维相比，沥青基碳纤维发展相对滞后。1987年9月日本三菱和旭化建成了年产500t高性能沥青基碳纤维装置，这标志着沥青基碳纤维已处于工业化过渡的新阶段。沥青基碳纤维的碳化收率比聚丙烯腈基高，原料沥青价格也远比聚丙烯腈便宜，在理论上这些差别将使沥青基碳纤维的成本比聚丙烯腈基碳纤维低。然而要制得高性能碳纤维，原料沥青中的杂质等必须完全脱除，沥青转化为中间相沥青，这使得高性能沥青基碳纤维的成本大大增加。实际上高性能沥青基碳纤维的成本反而比聚丙烯腈基碳纤维高。故目前仅限于只追求性能而不计成本的极少数地方，如宇航部门使用。