相较于 HPHT 法，化学气相沉积法（CVD）是一种更为先进的人造钻石技术。有一种理论认为，地幔深处的钻石并非由石墨制成，而是由碳氧化物或甲烷气体中的碳逐渐沉积形成的，这一过程被称为气相沉积。
甲烷气体正是利用 CVD 技术合成人造钻石的主要原料。如今，在实验室中利用 CVD 技术制造高质量、高性能的固体材料，包括人造钻石和大面积金刚石薄膜，已经成为了现实。
早在 2003 年，美国的“阿波罗钻石公司”就利用 CVD 技术在微波等离子体炉中合成了一批钻石（含有杂质），其中最大的一颗达到了 3 克拉，而成本仅为几美元。CVD 工艺能够“生长”出品相优良的人造钻石，这与其独特的工作原理密不可分。钻石是晶体，其结晶过程实际上是分子或离子在晶格中逐层堆积，形成稳定的化学键。
在适当的条件下提供足够的离子，并为其提供一个附着点，随着时间的推移，碳就有可能沉积形成钻石。在 CVD 法中，反应炉中加入的氢气起到了催化剂的作用。
氢气在微波或电弧下电离后，会变成具有很强还原性的等离子态氢（H·）。等离子态氢会从甲烷的 C - H 键中夺走氢，形成新的氢分子，使甲烷脱氢并逐步裂解，最终产生碳自由基（C·）。
在约 500℃的高温和 27kPa 的低压环境下，这些碳自由基会逐渐在钻石晶种上沉积，最终形成更大的钻石。用于合成钻石的原材料价格相对低廉，比如钻石粉末不仅常用于工业原料，也可以作为“种子”用于合成钻石。
在这个过程中，无论是否加入氢气，碳自由基都会析出。不过，氢气的加入能够将甲烷的转化率从 67.36%提升至 77.5%，显著加快钻石的合成速度，而且氢气并未被消耗，反而会逐渐增多。然而，要成功合成人造钻石并非易事，其中存在着诸多难点。首先，关键在于对气体比例、温度、压力及等离子体浓度的精确控制。
哪怕是细微的偏差，都可能对钻石的品质和生长速度产生影响。其次，等离子体中的氢和甲基中间体具有极强的还原性，它们可能与反应炉中的其他物质发生反应，导致气体中掺入杂质。
