石墨烯的六边形网状、类似苯环的芳香烃平面等特殊结构决定了其拥有独特的性质。从分子结构层面来看，构成石墨烯的碳原子可以被看作具有芳香性，因此具有和苯环类似的性质。但是，又由于石墨烯边缘上的氢原子相对于苯环的氢而言，其作用远远小于苯环上的氢，因而石墨烯的性质又不完全和苯环相同。从宏观上来看，石墨烯就是单层的石墨。因此，石墨烯成为为数不多的既有石墨的化学性质，也包含部分多元芳烃的化学性质的材料。

石墨烯是碳的同素异形体，相邻碳原子在同一平面上通过共价键的作用互相连接，它的二维结构决定了它能作为其他维度碳材料的基本单元[7]。将石墨烯的部分片段缠绕成球就可以得到零维的富勒烯，富勒烯中又以C60分子最为稳定；将石墨烯卷曲成柱状体就可以得到一维的碳纳米管；把一定数量的石墨烯经由范德华力来连接维系，进而堆叠成三维的石墨。在石墨烯结构中，当电子轨道发生重排时会产生σ键。它的形成能将电子固定在两个碳原子平面内，是最强的共价键。这些固定的电子使得石墨烯具有较强的机械强度。现在，由石墨烯材料作为材料源组装而成的，具有一定特定结构功能的碳复合材料，以其易于实现碳结构的优化设计和可控制备正吸引了许多研究者的关注。