石墨烯的化學性質與石墨相似，石墨烯能夠吸附并脫附各種原子和分子。當這些原子或分子作為給體或受體時能夠改變石墨烯載流子的濃度，而石墨烯自身卻能夠堅持很好的導電性。但當吸附其他物質時，如H和OH時，會產生一些衍生物，使石墨烯的導電性變差，但并沒有產生新的化合物。因此，能夠使用石墨來估測石墨烯的性質。例如石墨烷的生成就是在二維石墨烯的基礎上，每個碳原子多加上一個氫原子，從而使石墨烯中sp碳原子變成sp雜化。 能夠在實驗室中經過化學改性的石墨制備的石墨烯的可溶性片段。
       氧化石墨烯(grapheneoxide，GO):一種經過氧化石墨得到的層狀資料。體相石墨經發煙濃酸溶液處理后，石墨烯層被氧化成親水的石墨烯氧化物，石墨層間距由氧化前的3.35?增加到7~10?，經加熱或在水中超聲剝離進程很簡單構成別離的石墨烯氧化物片層結構。XPS、紅外光譜(IR)、固體核磁共振譜(NMR)等表征結果顯現石墨烯氧化物含有很多的含氧官能團，包括羥基、環氧官能團、羰基、羧基等。羥基和環氧官能團首要位于石墨的基面上，而羰基和羧基則處在石墨烯的邊際處。
        石墨烷(graphane):可經過石墨烯與氫氣反響得到，是一種飽和的碳氫化合物，具有分子式(CH)n，其間所有的碳是sp雜化并構成六角網絡結構，氫原子以替換形式從石墨烯平面的兩頭與碳成鍵，石墨烷表現出半導體性質，具有直接帶隙。
        氮摻雜石墨烯或氮化碳(carbonnitride):在石墨烯晶格中引進氮原子后變成氮摻雜的石墨烯，生成的氮摻雜石墨烯表現出較純石墨烯更多優異的性能，呈無序、通明、褶皺的薄紗狀，部分薄片層疊在一起，構成多層結構，顯現出較高的比電容和杰出的循環壽數。
        生物相容性:羧基離子的植入可使石墨烯資料外表具有活性功能團，從而大幅度進步資料的細胞和生物反響活性。石墨烯呈薄紗狀與碳納米管的管狀比較，更適合于生物資料方面的研討。而且石墨烯的邊際與碳納米管比較，更長，更易于被摻雜以及化學改性，更易于承受功能團。
        氧化性:可與活潑金屬反響。
        還原性:可在空氣中或是被氧化性酸氧化，經過該辦法能夠將石墨烯裁成小碎片。 石墨烯氧化物是經過石墨氧化得到的層狀資料，經加熱或在水中超聲剝離進程很簡單構成別離的石墨烯氧化物片層結構。
        加成反響:使用石墨烯上的雙鍵，能夠經過加成反響，加入需求的基團。
        安穩性:石墨烯的結構非常安穩，碳碳鍵(carbon-carbon bond)僅為1.42。石墨烯內部的碳原子之間的連接很柔韌，當施加外力于石墨烯時，碳原子面會彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來習慣外力，從而堅持結構安穩。這種安穩的晶格結構使石墨烯具有優異的導熱性。另外，石墨烯中的電子在軌跡中移動時，不會因晶格缺陷或引進外來原子而產生散射。因為原子間作用力非常強，在常溫下，即使周圍碳原子產生擠撞，石墨烯內部電子受到的干擾也非常小。 一起，石墨烯有芳香性，具有芳烴的性質。