石墨烯具有完美的二維晶體結構，它的晶格是由六個碳原子圍成的六邊形，厚度為一個原子層。碳原子之間由σ鍵銜接，結合辦法為sp2雜化，這些σ鍵賦予了石墨烯極端優異的力學性質和結構剛性。石墨烯的硬度比最好的鋼鐵強100倍，乃至還要超過鉆石。在石墨烯中，每個碳原子都有一個未成鍵的p電子，這些p電子可以在晶體中自由移動，且運動速度高達光速的1/300，賦予了石墨烯杰出的導電性。石墨烯是新一代的通明導電資料，在可見光區，四層石墨烯的透過率與傳統的ITO薄膜相當，在其它波段，四層石墨烯的透過率遠遠高于ITO薄膜。
      石墨烯是已知的世上最薄、最堅硬的納米資料，它幾乎是徹底通明的，只吸收2.3%的光；導熱系數高達5300W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子搬遷率超過15000cm2/V·s，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約10-6Ω·cm，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的資料。因其電阻率極低，電子搬遷的速度極快，因而被等待可用來發展更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。因為石墨烯實質上是一種通明、杰出的導體，也適合用來制作通明觸控屏幕、光板、乃至是太陽能電池。
    石墨烯的呈現在科學界激起了巨大的波瀾。人們發現，石墨烯具有非同尋常的導電功能，超出鋼鐵數十倍的強度和極好的透光性，它的呈現有望在現代電子科技領域引發一輪革新。在石墨烯中，電子可以極為高效地搬遷，而傳統的半導體和導體，例如硅和銅遠沒有石墨烯表現得好。因為電子和原子的磕碰，傳統的半導體和導體用熱的形式釋放了一些能量，2013年一般的電腦芯片以這種辦法浪費了72%-81%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會被損耗，這使它具有了非比尋常的優良特性。
    石墨烯獨特的功能與其電子能帶結構嚴密相關。以獨立碳原子為基，將周圍碳原子發生的勢作為微擾，可以用矩陣的辦法計算出石墨烯的能級散布。在狄拉克點（Dirac Point）鄰近打開，可得能量與波矢呈線性聯系（類似于光子的色散聯系），且在狄拉克點呈現奇點（singularity）。這意味著在費米面鄰近，石墨烯中電子的有用質量為零，這也解說了該資料獨特的電學等性質。