石墨烯的化學(xué)性質(zhì)與石墨類似，石墨烯可以吸附并脫附各種原子和分子。當(dāng)這些原子或分子作為給體或受體時可以改變石墨烯載流子的濃度，而石墨烯本身卻可以保持很好的導(dǎo)電性。但當(dāng)吸附其他物質(zhì)時，如H+和OH-時，會產(chǎn)生一些衍生物，使石墨烯的導(dǎo)電性變差，但并沒有產(chǎn)生新的化合物。因此，可以利用石墨來推測石墨烯的性質(zhì)。例如石墨烷的生成就是在二維石墨烯的基礎(chǔ)上，每個碳原子多加上一個氫原子，從而使石墨烯中sp2碳原子變成sp3雜化。 [7] 可以在實驗室中通過化學(xué)改性的石墨制備的石墨烯的可溶性片段。

化合物
氧化石墨烯（grapheneoxide，GO）：一種通過氧化石墨得到的層狀材料。體相石墨經(jīng)發(fā)煙濃酸溶液處理后，石墨烯層被氧化成親水的石墨烯氧化物，石墨層間距由氧化前的3.35?增加到7~10?，經(jīng)加熱或在水中超聲剝離過程很容易形成分離的石墨烯氧化物片層結(jié)構(gòu)。XPS、紅外光譜（IR）、固體核磁共振譜（NMR）等表征結(jié)果顯示石墨烯氧化物含有大量的含氧官能團，包括羥基、環(huán)氧官能團、羰基、羧基等。羥基和環(huán)氧官能團主要位于石墨的基面上，而羰基和羧基則處在石墨烯的邊緣處。

石墨烷：可通過石墨烯與氫氣反應(yīng)得到，是一種飽和的碳氫化合物，具有分子式（CH）n，其中所有的碳是sp3雜化并形成六角網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，氫原子以交替形式從石墨烯平面的兩端與碳成鍵，石墨烷表現(xiàn)出半導(dǎo)體性質(zhì)，具有直接帶隙。 

氮摻雜石墨烯或氮化碳（carbonnitride）：在石墨烯晶格中引入氮原子后變成氮摻雜的石墨烯，生成的氮摻雜石墨烯表現(xiàn)出較純石墨烯更多優(yōu)異的性能，呈無序、透明、褶皺的薄紗狀，部分薄片層疊在一起，形成多層結(jié)構(gòu)，顯示出較高的比電容和良好的循環(huán)壽命。
生物相容性：羧基離子的植入可使石墨烯材料表面具有活性功能團，從而大幅度提高材料的細胞和生物反應(yīng)活性。石墨烯呈薄紗狀與碳納米管的管狀相比，更適合于生物材料方面的研究。并且石墨烯的邊緣與碳納米管相比，更長，更易于被摻雜以及化學(xué)改性，更易于接受功能團。
氧化性：可與活潑金屬反應(yīng)。
還原性：可在空氣中或是被氧化性酸氧化，通過該方法可以將石墨烯裁成小碎片。 

石墨烯氧化物是通過石墨氧化得到的層狀材料，經(jīng)加熱或在水中超聲剝離過程很容易形成分離的石墨烯氧化物片層結(jié)構(gòu)。
加成反應(yīng)：利用石墨烯上的雙鍵，可以通過加成反應(yīng)，加入需要的基團。 

穩(wěn)定性：石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，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，碳原子面會彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使石墨烯具有優(yōu)秀的導(dǎo)熱性。另外，石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯內(nèi)部電子受到的干擾也非常小。 同時，石墨烯有芳香性，具有芳烴的性質(zhì)。