實際上石墨烯本來就存在于自然界，僅僅難以剝離出單層結構。石墨烯一層層疊起來便是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上悄悄劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。
    石墨烯在試驗室中是在2004年，其時，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫發現他們能用一種非常簡單的辦法得到越來越薄的石墨薄片。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特別的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最終，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這便是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新辦法層出不窮，經過5年的發展，人們發現，將石墨烯帶入工業化出產的范疇已為時不遠了。因此，在隨后三年內, 安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫在單層和雙層石墨烯體系中別離發現了整數量子霍爾效應及常溫條件下的量子霍爾效應，他們也因此獲得2010年度諾貝爾物理學獎。
    在發現石墨烯曾經，大多數物理學家認為，熱力學漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發現立即震懾了凝集體物理學學術界。盡管理論和試驗界都認為完美的二維結構無法在非絕對零度穩定存在,但是單層石墨烯在試驗中被制備出來。