?石墨烯内部碳原子的排列方法与石墨单原子层一样以sp杂化轨迹成键，并有如下的特色:碳原子有4个价电子，其间3个电子生成sp键，即每个碳原子都贡献一个位于pz轨迹上的未成键电子，近邻原子的pz轨迹与平面成垂直方向可构成π键，新构成的π键呈半填满状况。研讨证实，石墨烯中碳原子的配位数为3，每两个相邻碳原子间的键长为1.42×10米，键与键之间的夹角为120。除了σ键与其他碳原子链接成六角环的蜂窝式层状结构外，每个碳原子的垂直于层平面的pz轨迹能够构成贯穿全层的多原子的大π键(与苯环相似)，因此具有优良的导电和光学性能。
       石墨烯是已知强度最高的资料之一，同时还具有很好的韧性，且能够曲折，石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa，固有的拉伸强度为130GPa。而使用氢等离子改性的复原石墨烯也具有十分好的强度，平均模量可大0.25TPa。 由石墨烯薄片组成的石墨纸具有许多的孔，因此石墨纸显得很脆，然而，经氧化得到功能化石墨烯，再由功能化石墨烯做成石墨纸则会异常坚固强韧。
       石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000cm/(V·s)，这一数值超越了硅资料的10倍，是已知载流子迁移率最高的物质锑化铟(InSb)的两倍以上。在某些特定条件下如低温下，石墨烯的载流子迁移率乃至可高达250000cm/(V·s)。与许多资料不一样，石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小，50~500K之间的任何温度下，单层石墨烯的电子迁移率都在15000cm/(V·s)左右。
       别的，石墨烯中电子载体和空穴载流子的半整数量子霍尔效应能够经过电场效果改动化学势而被调查到，而科学家在室温条件下就调查到了石墨烯的这种量子霍尔效应。 石墨烯中的载流子遵从一种特别的量子隧道效应，在碰到杂质时不会产生背散射，这是石墨烯局域超强导电性以及很高的载流子迁移率的原因。石墨烯中的电子和光子均没有静止质量，他们的速度是和动能没有关系的常数。
       石墨烯是一种零距离半导体，因为它的传导和价带在狄拉克点相遇。在狄拉克点的六个方位动量空间的边际布里渊区分为两组等效的三份。相比之下，传统半导体的主要点一般为Γ，动量为零。
       石墨烯具有十分好的热传导性能。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是停止导热系数最高的碳资料，高于单壁碳纳米管(3500W/mK)和多壁碳纳米管(3000W/mK)。当它作为载体时，导热系数也可达600W/mK。此外，石墨烯的弹道热导率能够使单位圆周和长度的碳纳米管的弹道热导率的下限下移。
       石墨烯具有十分杰出的光学特性，在较宽波长范围内吸收率约为2.3%，看上去几乎是通明的。在几层石墨烯厚度范围内，厚度每增加一层，吸收率增加2.3%。大面积的石墨烯薄膜同样具有优异的光学特性，且其光学特性随石墨烯厚度的改动而发生变化。这是单层石墨烯所具有的不寻常低能电子结构。室温下对双栅极双层石墨烯场效应晶体管施加电压，石墨烯的带隙可在0~0.25eV间调整。施加磁场，石墨烯纳米带的光学响应可调谐至太赫兹范围。
       当入射光的强度超越某一临界值时，石墨烯对其的吸收会达到饱满。这些特性能够使得石墨烯能够用来做被迫锁模激光器。 这种独特的吸收或许成为饱满时输入光强超越一个阈值，这称为饱满影响，石墨烯可饱满容易下可见强有力的鼓励近红外地区，因为举世光学吸收和零带隙。因为这种特别性质，石墨烯具有广泛应用在超快光子学。石墨烯/氧化石墨烯层的光学响应能够调谐电。 更密布的激光照明下，石墨烯或许具有一个非线性相移的光学非线性克尔效应。
       溶解性:在非极性溶剂中表现出杰出的溶解性 ，具有超疏水性和超亲油性。
       熔点:科学家在2015年的研讨中表示约4125K ，有其他研讨表明熔点或许在5000K左右。
       其他性质:能够吸赞同脱附各种原子和分子。