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，會產生一些衍生物，使石墨烯的導電性變差，但并沒有產生新的化合物。因此，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。 [7] 可以在實驗室中通過化學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。體相石墨經發煙濃酸溶液處理后，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構。XPS、紅外光譜（IR）、固體核磁共振譜（NMR）等表征結果顯示石墨烯氧化物含有大量的含氧官能團，包括羥基、環氧官能團、羰基、羧基等。羥基和環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雜化并形成六角網絡結構，氫原子以交替形式從石墨烯平面的兩端與碳成鍵，石墨烷表現出半導體性質，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出較純石墨烯更多優異的性能，呈無序、透明、褶皺的薄紗狀，部分薄片層疊在一起，形成多層結構，顯示出較高的比電容和良好的循環壽命。
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改性，更易于接受功能團。
氧化性：可與活潑金屬反應。
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構。
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。 

穩定性：石墨烯的結構非常穩定，碳碳鍵（carbon-carbon bond）僅為1.42。石墨烯內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，從而保持結構穩定。這種穩定的晶格結構使石墨烯具有優秀的導熱性。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，即使周圍碳原子發生擠撞，石墨烯內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。