Gwiazda węglowa – czerwony olbrzym (lub czasem czerwony karzeł), którego atmosfera zawiera więcej węgla niż tlenu. Obydwa pierwiastki łączą się w górnych warstwach gwiazdy, tworząc tlenek węgla. Tlenek węgla pochłania cały tlen, pozostały węgiel tworzy inne związki węgla. Bogactwo węgla pochodzi z fuzji helu wewnątrz gwiazdy – procesu, który przebiega pod koniec życia czerwonego olbrzyma.
Większość gwiazd węglowych to gwiazdy podwójne, gdzie jedna jest olbrzymem, a druga białym karłem. Atmosfera olbrzyma, w tym i węgiel, jest częściowo porywana przez białego karła, sprawiając, że spektrum obu gwiazd wykazuje istnienie węgla.
Podczas analizy widmowej wykryto wiele związków węgla, w tym i o złożonej budowie cząsteczek, jak cyjan i cyjanowodór. Węgiel formuje się w rdzeniu gwiazdy, a jako lżejszy wędruje ku jej powierzchni, zmieniając rozkład pozostałych składników. Inne pierwiastki, efekty termojądrowej fuzji, też są „wyciągane” w związkach chemicznych z węglem ku górze, włączając w to lit i cyrkon. W normalnych gwiazdach, jak nasze Słońce, których atmosfery są bogate w tlen a ubogie w węgiel, zewnętrzne warstwy są zazwyczaj bogate w tlen i azot.