石墨烯是由碳六元環(huán)組成的兩維(2D)周期蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，它能夠翹曲成零維(0D)的富勒烯(fullerene),卷成一維(1D)的碳納米管(carbon nano-tube, CNT)或者堆垛成三維(3D)的石墨(graphite), 因此石墨烯是構(gòu)成其他石墨資料的根本單元。石墨烯的根本結(jié)構(gòu)單元為有機(jī)資料中最安穩(wěn)的苯六元環(huán), 是現(xiàn)在最抱負(fù)的二維納米資料.。抱負(fù)的石墨烯結(jié)構(gòu)是平面六邊形點(diǎn)陣，能夠看作是一層被剝離的石墨分子，每個(gè)碳原子均為sp2雜化，并貢獻(xiàn)剩余一個(gè)p軌道上的電子構(gòu)成大π鍵，π電子能夠自由移動(dòng)，賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性。二維石墨烯結(jié)構(gòu)能夠看是構(gòu)成所有sp2雜化碳質(zhì)資料的根本組成單元。
    石墨烯的結(jié)構(gòu)十分安穩(wěn)，碳碳鍵（carbon-carbon bond）僅為1.42?。石墨烯內(nèi)部的碳原子之間的連接很柔韌，當(dāng)施加外力于石墨烯時(shí)，碳原子面會(huì)彎曲變形，使得碳原子不用重新排列來習(xí)慣外力，從而堅(jiān)持結(jié)構(gòu)安穩(wěn)。這種安穩(wěn)的晶格結(jié)構(gòu)使石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性。另外，石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺點(diǎn)或引進(jìn)外來原子而產(chǎn)生散射。因?yàn)樵娱g作用力十分強(qiáng)，在常溫下，即使周圍碳原子產(chǎn)生擠撞，石墨烯內(nèi)部電子受到的攪擾也十分小。
    石墨烯是構(gòu)成下列碳同素異形體的根本單元：石墨，木炭，碳納米管和富勒烯。完美的石墨烯是二維的，它只包括六邊形(等角六邊形); 如果有五邊形和七邊形存在，則會(huì)構(gòu)成石墨烯的缺點(diǎn)。12個(gè)五角形石墨烯會(huì)一起構(gòu)成富勒烯。