Materiali iz ogljikovih vlaken imajo dobre toplotnoizolacijske lastnosti. Ker imajo ogljikova vlakna značilnosti nizke toplotne kapacitete, nizke toplotne prevodnosti in visoke specifične toplote, lahko ogljikova vlakna učinkovito izolirajo in zaščitijo druge komponente v okoljih z visoko temperaturo.
Poleg tega na toplotno izolacijo materialov iz ogljikovih vlaken vplivajo tudi njihova gostota, debelina, struktura in drugi dejavniki. Na splošno velja, da manjša kot je gostota materiala iz ogljikovih vlaken, boljša je toplotna izolacija; večja kot je debelina materiala iz ogljikovih vlaken, boljša je toplotna izolacija.
V aplikacijah se materiali iz ogljikovih vlaken pogosto uporabljajo v vesolju, avtomobilih, ladjah in na drugih področjih kot toplotnoizolacijski materiali ali izolacijske plasti. Na primer, kompoziti iz ogljikovih vlaken se lahko uporabljajo kot toplotnoizolacijski materiali za vesoljska vozila, keramični kompoziti, ojačani z ogljikovimi vlakni, pa se lahko uporabljajo za toplotno izolacijo pri visokih temperaturah.
