隨著批量化生產以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產業化應用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先實現商業化應用的領域可能會是移動設備、航空航天、新能源電池領域。

基礎研究
石墨烯對物理學基礎研究有著特殊意義，它使得一些此前只能在理論上進行論證的量子效應可以通過實驗經行驗證。在二維的石墨烯中，電子的質量仿佛是不存在的，這種性質使石墨烯成為了一種罕見的可用于研究相對論量子力學的凝聚態物質——因為無質量的粒子必須以光速運動，從而必須用相對論量子力學來描述，這為理論物理學家們提供了一個嶄新的研究方向：一些原來需要在巨型粒子加速器中進行的試驗，可以在小型實驗室內用石墨烯進行。

零能隙的半導體主要是單層石墨烯，這種電子結構會嚴重影響到氣體分子在其表面上的作用。單層石墨烯較體相石墨表面反應活性增強的功能是由石墨烯的氫化反應和氧化反應結果顯示出來的，說明石墨烯的電子結構可以調變其表面的活性。另外，石墨烯的電子結構可以通過氣體分子吸附的誘導而發生相應的變化，其不但對載流子的濃度進行改變，同時可以摻雜不同的石墨烯。 

傳感器
石墨烯可以做成化學傳感器，這個過程主要是通過石墨烯的表面吸附性能來完成的，根據部分學者的研究可知，石墨烯化學探測器的靈敏度可以與單分子檢測的極限相比擬。石墨烯獨特的二維結構使它對周圍的環境非常敏感。石墨烯是電化學生物傳感器的理想材料，石墨烯制成的傳感器在醫學上檢測多巴胺、葡萄糖等具有良好的靈敏性。

晶體管
石墨烯可以用來制作晶體管，由于石墨烯結構的高度穩定性，這種晶體管在接近單個原子的尺度上依然能穩定地工作。相比之下，目前以硅為材料的晶體管在10納米左右的尺度上就會失去穩定性；石墨烯中電子對外場的反應速度超快這一特點，又使得由它制成的晶體管可以達到極高的工作頻率。例如IBM公司在2010年2月就已宣布將石墨烯晶體管的工作頻率提高到了100GHz，超過同等尺度的硅晶體管。

消費電子展上可彎曲屏幕備受矚目，成為未來移動設備顯示屏的發展趨勢。柔性顯示未來市場廣闊，作為基礎材料的石墨烯前景也被看好。韓國研究人員首次制造出了由多層石墨烯和玻璃纖維聚酯片基底組成的柔性透明顯示屏。韓國三星公司和成均館大學的研究人員在一個63厘米寬的柔性透明玻璃纖維聚酯板上，制造出了一塊電視機大小的純石墨烯。他們表示，這是迄今為止“塊頭”最大的石墨烯塊。隨后，他們用該石墨烯塊制造出了一塊柔性觸摸屏。研究人員表示，從理論上來講，人們可以卷起智能手機，然后像鉛筆一樣將其別在耳后。 

新能源電池
新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領域。美國麻省理工學院已石墨烯基超級電容器結構與不同電壓下的石墨烯理論能量密度成功研制出表面附有石墨烯納米涂層的柔性光伏電池板，可極大降低制造透明可變形太陽能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機等小型數碼設備中應用。另外，石墨烯超級電池的成功研發，也解決了新能源汽車電池的容量不足以及充電時間長的問題，極大加速了新能源電池產業的發展。這一系列的研究成果為石墨烯在新能源電池行業的應用鋪就了道路。

海水淡化
石墨烯過濾器比其他海水淡化技術要使用的多。水環境中的氧化石墨烯薄膜與水親密接觸后，可形成約0.9納米寬的通道，小于這一尺寸的離子或分子可以快速通過。通過機械手段進一步壓縮石墨烯薄膜中的毛細通道尺寸，控制孔徑大小，能高效過濾海水中的鹽份。

石墨烯具有質量輕、高化學穩定性和高比表面積等優點，使之成為儲氫材料的最佳候選者。 

航空航天
由于高導電性、高強度、超輕薄等特性，石墨烯在航天軍工領域的應用優勢也是極為突出的。2014年，美國NASA開發出應用于航天領域的石墨烯傳感器，就能很好的對地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結構性缺陷等進行檢測。而石墨烯在超輕型飛機材料等潛在應用上也將發揮更重要的作用。 

感光元件
以石墨烯作為感光元件材質的新型感光元件，可望透過特殊結構，讓感光能力比現有CMOS或CCD提高上千倍，而且損耗的能源也僅需原本10%。可應用在監視器與衛星成像領域中，可以應用于照相機、智能手機等。

復合材料
基于石墨烯的復合材料是石墨烯應用領域中的重要研究方向，其在能量儲存、液晶器件、電子器件、生物材料、傳感材料和催化劑載體等領域展現出了優良性能， 具有廣闊的應用前景。目前石墨烯復合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物復合材料和石墨烯基無機納米復合材料上，而隨著對石墨烯研究的深入， 石墨烯增強體在塊體金屬基復合材料中的應用也越來越受到人們的重視。石墨烯制成的多功能聚合物復合材料、高強度多孔陶瓷材料，增強了復合材料的許多特殊性能

生物
石墨烯被用來加速人類骨髓間充質干細胞的成骨分化，同時也被用來制造碳化硅上外延石墨烯的生物傳感器。同時石墨烯可以作為一個神經接口電極，而不會改變或破壞性能，如信號強度或疤痕組織的形成。由于具有柔韌性、生物相容性和導電性等特性，石墨烯電極在體內比鎢或硅電極穩定得多。石墨烯氧化物對于抑制大腸桿菌的生長十分有效，而且不會傷害到人體細胞。