石墨烯是六边形的,它的π电子是共轭的,但不像石墨一样共轭的.
它不仅是已知材料中最薄的一种,还非常牢固坚硬；作为单质,它在室温下传递电子的速度比已知导体都快.石墨烯在原子尺度上结构非常特殊,必须用相对论量子物理学(relativistic quantum physics)才能描绘.
石墨烯结构非常稳定,迄今为止,研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况.石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧,当施加外部机械力时,碳原子面就弯曲变形,从而使碳原子不必重新排列来适应外力,也就保持了结构稳定.
这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性.石墨烯中的电子在轨道中移动时,不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射.由于原子间作用力十分强,在常温下,即使周围碳原子发生挤撞,石墨烯中电子受到的干扰也非常小.