Hiilihydraatit muodostuvat enimmäkseen hiilestä, hapesta ja vedystä. Alun perin niiden ajateltiin olevan veden ja hiilen muodostamia yhdisteitä, sillä niiden molekyylikaava koostuu yhdestä hiiliatomista ja yhdestä vesimolekyylistä (C·H₂O)_n. Esimerkiksi glukoosin (C₆H₁₂O₆) voidaan ajatella olevan hiilihydraatti (C·H₂O)₆. Nykyään tiedetään, että hiilihydraatit voivat sisältää myös muita alkuaineita ja ne eivät muodostu suoraan liittämällä vettä hiileen. Hiilihydraatit voidaan jakaa rakenteen perusteella mono-, di- ja polysakkarideiksi.

Monosakkarideilla tarkoitetaan yksinkertaisimpia hiilihydraatteja, joissa on ainakin kolme hiiliatomia. Niistä tyypillisimpiä ovat kuusihiiliset glukoosi, fruktoosi ja galaktoosi. Glukoosi eli rypälesokeri on useimpien solujen perusenergianlähde. Fruktoosia eli hedelmäsokeria löytyy nimensä mukaisesti monista hedelmistä. Myös dna:ssa ja rna:ssa olevat deoksiriboosi ja riboosi ovat monosakkarideja.

Monosakkaridit muodostavat vesiliuoksessa usein rengasmaisia rakenteita, jotka voivat liittyä toisiinsa. Kun kaksi monosakkaridia liittyy toisiinsa kiinni glykosidisella sidoksella, syntyy disakkaridi. Disakkarideja ovat esimerkiksi sakkaroosi (ruokosokeri) ja laktoosi (maitosokeri). Sakkaroosi koostuu yhdestä glukoosista ja yhdestä fruktoosista ja laktoosi glukoosista ja galaktoosista. Monosakkarideja ja disakkarideja voidaan kutsua sokereiksi.

Jos useat monosakkaridiyksiköt liittyvät toisiinsa, syntyy polysakkaridi. Esimerkiksi glukoosin muodostamia polysakkarideja ovat muun muassa selluloosa, tärkkelys ja glykogeeni.

Solut voivat käyttää polysakkarideja rakennusaineina. Niiden tehtävänä on rakenteen tukeminen, veden sitominen ja solukalvon sisäpuolisen osan suojaaminen. Rakennepolysakkaridit ovat usein kemiallisesti kestäviä ja sen vuoksi sopivat huonosti ravinnoksi.

Rakennepolysakkarideja ovat esimerkiksi kasvien selluloosa ja levien agaroosi. Selluloosa on suoraketjuinen, peräkkäisistä glukoosimolekyyleistä koostuva kestävä makromolekyyli. Esimerkiksi kasvien soluseinä on selluloosaa.

Solu voi käyttää polysakkarideja myös energian varastoimiseen. Varastopolysakkaridit ovat yleensä helpommin hajoavia kuin rakennepolysakkaridit ja sen vuoksi sopivat paremmin ravinnoksi.

Varastopolysakkarideista yleisiä ovat tärkkelys ja glykogeeni. Tärkkelys on kahdesta glukoosin polysakkaridista koostuva kasvien varastomolekyyli. Glykogeeni on tärkkelystä vastaava varastomolekyyli eläimillä. Sitä löytyy muun muassa lihaksesta ja maksasta.

Myös monissa muissa molekyyleissä, kuten dna:ssa ja rna:ssa, on sokeriosia. ATP eli adenosiinitrifosfaatti on solun väliaikainen energiamuoto, joka sisältää riboosia. Myös monissa proteiineissa ja lipideissä on kiinni hiilihydraattiosia.