石墨烯的化学性质与石墨相似，石墨烯能够吸附并脱附各种原子和分子。当这些原子或分子作为给体或受体时能够改变石墨烯载流子的浓度，而石墨烯自身却能够坚持很好的导电性。但当吸附其他物质时，如H和OH时，会产生一些衍生物，使石墨烯的导电性变差，但并没有产生新的化合物。因此，能够使用石墨来估测石墨烯的性质。例如石墨烷的生成就是在二维石墨烯的基础上，每个碳原子多加上一个氢原子，从而使石墨烯中sp碳原子变成sp杂化。 能够在实验室中经过化学改性的石墨制备的石墨烯的可溶性片段。
       氧化石墨烯(grapheneoxide，GO):一种经过氧化石墨得到的层状资料。体相石墨经发烟浓酸溶液处理后，石墨烯层被氧化成亲水的石墨烯氧化物，石墨层间距由氧化前的3.35?增加到7~10?，经加热或在水中超声剥离进程很简单构成别离的石墨烯氧化物片层结构。XPS、红外光谱(IR)、固体核磁共振谱(NMR)等表征结果显现石墨烯氧化物含有很多的含氧官能团，包括羟基、环氧官能团、羰基、羧基等。羟基和环氧官能团首要位于石墨的基面上，而羰基和羧基则处在石墨烯的边际处。
        石墨烷(graphane):可经过石墨烯与氢气反响得到，是一种饱和的碳氢化合物，具有分子式(CH)n，其间所有的碳是sp杂化并构成六角网络结构，氢原子以替换形式从石墨烯平面的两头与碳成键，石墨烷表现出半导体性质，具有直接带隙。
        氮掺杂石墨烯或氮化碳(carbonnitride):在石墨烯晶格中引进氮原子后变成氮掺杂的石墨烯，生成的氮掺杂石墨烯表现出较纯石墨烯更多优异的性能，呈无序、通明、褶皱的薄纱状，部分薄片层叠在一起，构成多层结构，显现出较高的比电容和杰出的循环寿数。
        生物相容性:羧基离子的植入可使石墨烯资料外表具有活性功能团，从而大幅度进步资料的细胞和生物反响活性。石墨烯呈薄纱状与碳纳米管的管状比较，更适合于生物资料方面的研讨。而且石墨烯的边际与碳纳米管比较，更长，更易于被掺杂以及化学改性，更易于承受功能团。
        氧化性:可与活泼金属反响。
        还原性:可在空气中或是被氧化性酸氧化，经过该办法能够将石墨烯裁成小碎片。 石墨烯氧化物是经过石墨氧化得到的层状资料，经加热或在水中超声剥离进程很简单构成别离的石墨烯氧化物片层结构。
        加成反响:使用石墨烯上的双键，能够经过加成反响，加入需求的基团。
        安稳性:石墨烯的结构非常安稳，碳碳键(carbon-carbon bond)仅为1.42。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来习惯外力，从而坚持结构安稳。这种安稳的晶格结构使石墨烯具有优异的导热性。另外，石墨烯中的电子在轨迹中移动时，不会因晶格缺陷或引进外来原子而产生散射。因为原子间作用力非常强，在常温下，即使周围碳原子产生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。 一起，石墨烯有芳香性，具有芳烃的性质。