?石墨烯內部碳原子的排列方法與石墨單原子層一樣以sp雜化軌跡成鍵，并有如下的特色:碳原子有4個價電子，其間3個電子生成sp鍵，即每個碳原子都貢獻一個位于pz軌跡上的未成鍵電子，近鄰原子的pz軌跡與平面成垂直方向可構成π鍵，新構成的π鍵呈半填滿狀況。研討證實，石墨烯中碳原子的配位數為3，每兩個相鄰碳原子間的鍵長為1.42×10米，鍵與鍵之間的夾角為120。除了σ鍵與其他碳原子鏈接成六角環的蜂窩式層狀結構外，每個碳原子的垂直于層平面的pz軌跡能夠構成貫穿全層的多原子的大π鍵(與苯環相似)，因此具有優良的導電和光學性能。
       石墨烯是已知強度最高的資料之一，同時還具有很好的韌性，且能夠曲折，石墨烯的理論楊氏模量達1.0TPa，固有的拉伸強度為130GPa。而使用氫等離子改性的復原石墨烯也具有十分好的強度，平均模量可大0.25TPa。 由石墨烯薄片組成的石墨紙具有許多的孔，因此石墨紙顯得很脆，然而，經氧化得到功能化石墨烯，再由功能化石墨烯做成石墨紙則會異常堅固強韌。
       石墨烯在室溫下的載流子遷移率約為15000cm/(V·s)，這一數值超越了硅資料的10倍，是已知載流子遷移率最高的物質銻化銦(InSb)的兩倍以上。在某些特定條件下如低溫下，石墨烯的載流子遷移率乃至可高達250000cm/(V·s)。與許多資料不一樣，石墨烯的電子遷移率受溫度變化的影響較小，50~500K之間的任何溫度下，單層石墨烯的電子遷移率都在15000cm/(V·s)左右。
       別的，石墨烯中電子載體和空穴載流子的半整數量子霍爾效應能夠經過電場效果改動化學勢而被調查到，而科學家在室溫條件下就調查到了石墨烯的這種量子霍爾效應。 石墨烯中的載流子遵從一種特別的量子隧道效應，在碰到雜質時不會產生背散射，這是石墨烯局域超強導電性以及很高的載流子遷移率的原因。石墨烯中的電子和光子均沒有靜止質量，他們的速度是和動能沒有關系的常數。
       石墨烯是一種零距離半導體，因為它的傳導和價帶在狄拉克點相遇。在狄拉克點的六個方位動量空間的邊際布里淵區分為兩組等效的三份。相比之下，傳統半導體的主要點一般為Γ，動量為零。
       石墨烯具有十分好的熱傳導性能。純的無缺陷的單層石墨烯的導熱系數高達5300W/mK，是停止導熱系數最高的碳資料，高于單壁碳納米管(3500W/mK)和多壁碳納米管(3000W/mK)。當它作為載體時，導熱系數也可達600W/mK。此外，石墨烯的彈道熱導率能夠使單位圓周和長度的碳納米管的彈道熱導率的下限下移。
       石墨烯具有十分杰出的光學特性，在較寬波長范圍內吸收率約為2.3%，看上去幾乎是通明的。在幾層石墨烯厚度范圍內，厚度每增加一層，吸收率增加2.3%。大面積的石墨烯薄膜同樣具有優異的光學特性，且其光學特性隨石墨烯厚度的改動而發生變化。這是單層石墨烯所具有的不尋常低能電子結構。室溫下對雙柵極雙層石墨烯場效應晶體管施加電壓，石墨烯的帶隙可在0~0.25eV間調整。施加磁場，石墨烯納米帶的光學響應可調諧至太赫茲范圍。
       當入射光的強度超越某一臨界值時，石墨烯對其的吸收會達到飽滿。這些特性能夠使得石墨烯能夠用來做被迫鎖模激光器。 這種獨特的吸收或許成為飽滿時輸入光強超越一個閾值，這稱為飽滿影響，石墨烯可飽滿容易下可見強有力的鼓勵近紅外地區，因為舉世光學吸收和零帶隙。因為這種特別性質，石墨烯具有廣泛應用在超快光子學。石墨烯/氧化石墨烯層的光學響應能夠調諧電。 更密布的激光照明下，石墨烯或許具有一個非線性相移的光學非線性克爾效應。
       溶解性:在非極性溶劑中表現出杰出的溶解性 ，具有超疏水性和超親油性。
       熔點:科學家在2015年的研討中表示約4125K ，有其他研討表明熔點或許在5000K左右。
       其他性質:能夠吸贊同脫附各種原子和分子。