石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构，它能够翘曲成零维(0D)的富勒烯(fullerene),卷成一维(1D)的碳纳米管(carbon nano-tube, CNT)或者堆垛成三维(3D)的石墨(graphite), 因此石墨烯是构成其他石墨资料的根本单元。石墨烯的根本结构单元为有机资料中最安稳的苯六元环, 是现在最抱负的二维纳米资料.。抱负的石墨烯结构是平面六边形点阵，能够看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子构成大π键，π电子能够自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结构能够看是构成所有sp2杂化碳质资料的根本组成单元。
    石墨烯的结构十分安稳，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，使得碳原子不用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道中移动时，不会因晶格缺点或引进外来原子而产生散射。因为原子间作用力十分强，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搅扰也十分小。
    石墨烯是构成下列碳同素异形体的根本单元：石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯。完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形(等角六边形); 如果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯的缺点。12个五角形石墨烯会一起构成富勒烯。