石墨烯是由碳六元環組成的兩維(2D)周期蜂窩狀點陣結構，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), 因此石墨烯是構成其他石墨資料的根本單元。石墨烯的根本結構單元為有機資料中最安穩的苯六元環, 是現在最抱負的二維納米資料.。抱負的石墨烯結構是平面六邊形點陣，能夠看作是一層被剝離的石墨分子，每個碳原子均為sp2雜化，并貢獻剩余一個p軌道上的電子構成大π鍵，π電子能夠自由移動，賦予石墨烯良好的導電性。二維石墨烯結構能夠看是構成所有sp2雜化碳質資料的根本組成單元。
    石墨烯的結構十分安穩，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，使得碳原子不用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道中移動時，不會因晶格缺點或引進外來原子而產生散射。因為原子間作用力十分強，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攪擾也十分小。
    石墨烯是構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，則會構成石墨烯的缺點。12個五角形石墨烯會一起構成富勒烯。