石墨烯的化學性質與石墨類似，石墨烯可以吸附并脫附各種原子和分子。當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電性。但當吸附其他物質時，如H+和OH-時，會產(chǎn)生一些衍生物，石墨烯的導電性變差，但這并不是產(chǎn)生了新的化合物。可以利用石墨來推測石墨烯的性質。例如石墨烷的生成就是在二維石墨烯的基礎上，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。

氧化性：可與活潑金屬反應，或是在空氣中被氧化。

還原性：可被氧化性酸氧化，通過該方法可以將石墨烯裁成小碎片。

加成反應：利用石墨烯上的雙鍵，可以通過加成反應，加入需要的基團。

穩(wěn)定性：石墨烯的結構非常穩(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外力，從而保持結構穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結構使石墨烯具有的導熱性。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。

芳香性：石墨烯具有芳香性，具有芳烴的性質。