Da Carbene Moleküle mit hohem Energiegehalt sind, müssen sie aus energiereichen Vorstufen hergestellt werden, oder es muss zusätzliche Energie aus externen Quellen zugeführt werden. Chemische Umwandlungen, die durch Licht ausgelöst werden, so genannte photochemische Reaktionen, werden häufig zur Herstellung von Carbenen verwendet, da die Energie des absorbierten Lichts in die hochenergetischen Strukturen aufgenommen wird. Organische Verbindungen, die eine Diazogruppe enthalten (zwei Stickstoffatome, die miteinander und mit einem Kohlenstoffatom durch eine Doppelbindung verbunden sind), sind die am häufigsten verwendeten Ausgangsstoffe für Carbene. Die Molekularstruktur von Diazoverbindungen wird durch die allgemeine Formel
dargestellt, in der R und R′ zwei organische Gruppen darstellen, die gleich oder verschieden sein können. Bei der Photolyse oder Pyrolyse (Behandlung mit Licht bzw. Wärme) spalten sich die Diazoverbindungen unter Bildung des entsprechenden Carbens und eines freien Stickstoffmoleküls. Diazirine, d. h. ringförmige oder zyklische Verbindungen mit einer ähnlichen Struktur wie Diazoverbindungen, unterliegen der gleichen Spaltungsreaktion und werden häufig als Vorläufer von Carbenen verwendet. Die Herstellung eines Carbens aus einer Diazoverbindung läuft wie folgt ab:
Wenn die Photolyse von Diazoverbindungen bei sehr niedriger Temperatur in einem nicht reaktiven festen Medium durchgeführt wird, ist es oft möglich, das entstehende Carben an einer weiteren Reaktion zu hindern. Messbare Mengen des Carbens können daher über einen langen Zeitraum im festen Medium oder in der Matrix verbleiben. So wurde beispielsweise Methylen, das reaktionsfreudigste Carben überhaupt, in einer kristallinen Matrix aus dem Edelgas Xenon (abgekühlt auf den Siedepunkt von Helium) erzeugt, in der es lange genug überdauerte, um untersucht zu werden. Viele andere Carbene wurden durch ähnliche Matrixisolierungstechniken hergestellt.
Bei der photolytischen Zersetzung von bestimmten Ketenen, Substanzen, deren Moleküle zwei Kohlenstoffatome und ein Sauerstoffatom enthalten, die durch Doppelbindungen verbunden sind,
ergeben sich Kohlenmonoxid und Carbene, wie in der folgenden Gleichung dargestellt:
Unter bestimmten Umständen können Cyclopropane, deren Moleküle dreigliedrige Kohlenstoffringe enthalten, als Carbenvorläufer in photochemischen Reaktionen dienen. Zum Beispiel wird 1,1,2,2,-Tetraphenylcyclopropan durch die Reaktion
Die Bildung von Carbenen über elektrisch geladene oder ionische Zwischenprodukte wird durch die Reaktion von Chloroform mit einer starken Base, Kalium-tert-butoxid, veranschaulicht. Im ersten Schritt dieser Reaktion wird in einer normalen Säure-Base-Reaktion ein Proton oder Wasserstoffion (H+) aus dem Chloroformmolekül entfernt. Das entstehende Kaliumtrichlormethid verliert dann Kaliumchlorid und bildet Dichlorkohlenstoff. Andere Haloformen, Verbindungen der Formel HCX3, in der X für ein Chlor-, Brom- oder Jodatom steht, reagieren in gleicher Weise und bilden die entsprechenden Dihalogencarbone.