Карамель и сахар кристаллизуются по-разному: первая аморфна, вторая образует кристаллы.

При нагревании сахара (сахарозы) молекулы теряют кристаллическую структуру и превращаются в аморфное стекло — вязкую массу без упорядоченного расположения атомов. Это происходит примерно при температуре 160–170 °C, когда кристаллическая решётка разрушается. Охлаждаясь, карамель затвердевает в аморфном состоянии и становится хрупкой, с характерным блеском. В отличие от неё, обычный сахар при кристаллизации восстанавливает упорядоченную структуру — молекулы возвращаются в правильный геометрический порядок, образуя видимые кристаллы. Разница в поведении связана с отсутствием кристаллизационных центров в охлаждающейся карамели. Молекулы застывают в беспорядочном состоянии, не успев выстроиться в решётку. Это явление изучается в физике конденсированного состояния и имеет практическое значение: карамель используют не только в кулинарии, но и в материаловедении как модельное вещество для понимания процессов стеклования. Аморфные материалы — в том числе стёкла и металлические стёкла — проявляют похожие свойства и находят применение в электронике и оптике. Если карамель хранить влажной, она со временем начинает кристаллизоваться — вода запускает этот процесс, позволяя молекулам медленно упорядочиваться. Именно поэтому карамель нужно беречь от влаги.