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石墨烯具有强度高、韧性好、密度低、透光率高、导电性佳等优异性能。表1-1和表1-2分别列举了石墨烯的性能及其部分应用。
表1-1 石墨烯的性能
表1-2 石墨烯的部分应用
石墨烯具有非常奇特的电子效应。室温下石墨烯的载流子迁移率约为15000cm 2 /（V·s），相当于光速的1/300，远远超过锑化铟、砷化镓、硅半导体等常见半导体材料，是硅材料的10倍，是目前已知载流子迁移率最高物质锑化铟的2倍以上。在某些特定的条件下，石墨烯的载流子迁移率甚至可高达250000cm 2 /（V·s）。与很多材料不一样，石墨烯的载流子迁移率受温度变化影响较小。研究人员发现，在50～500K下，单层石墨烯的载流子迁移率都在15000cm 2 /（V·s）左右。科学家研究发现，石墨烯中所有的颗粒都会产生量子隧道效应，这与石墨烯具有超强的导电性及超高的载流子迁移率有关。石墨烯中的电子和光子一样都没有静止质量，它们的速率是与动能没有关系的常数。这些奇特的电子效应使石墨烯在电子领域具有非常广阔的应用前景，未来有可能取代硅材料制备耗电更少、性能更优的半导体器件。此外，石墨烯独特的电子结构使其具有许多奇特的电学性质，比如超导性能、室温量子霍尔效应、亚微米尺度的孔道传输特性等。
石墨烯是目前已知强度最高的材料，比金刚石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高100倍。同时它又具有很好的韧性，且可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达1TPa，断裂强度为130GPa。如果把厚度相当于人头发丝直径十万分之一的石墨烯叠成保鲜膜的厚度，需要一头大象站在一支铅笔上所产生的压强才能将它刺破。
石墨烯优异的力学性能使其在复合材料领域具有广阔的应用前景。石墨烯可以提高材料的力学性能，有望用于航空航天设备、国防工业；可以在减少负荷的同时增加器件的机械性能，如作为金属材料的添加剂来制备金属基石墨烯复合材料合金，会大大提高合金的屈服强度和抗拉强度，在航天领域的潜在应用价值极大。
石墨烯具有非常好的热传导特性。纯的无缺陷的单层石墨烯是目前已知的热导率最高的材料，高达5000W/（m·K）。研究发现，石墨烯的导热过程与电子运动几乎无关，而是依靠声子的传递。这种独特的导热形式使石墨烯的热导率比金、银、铜等常见金属的热导率高10倍以上，比单壁碳纳米管[3500W/（m·K）]和多壁碳纳米管[3000W/（m·K）]的导热性能更好。表1-3显示的是用不同方法测量的石墨烯及氧化石墨烯基材料的热导率。
表1-3 石墨烯及氧化石墨烯基材料的热导率
注：①在室温下。
石墨烯能将电子产品运行中产生的大量热量快速扩散到空气中，以使其保持更好的工作性能和稳定性，因此在电子设备散热应用中具有非常广阔的应用前景。
由于具有高的热电转化效率等独特的物理化学性质，石墨烯吸引了众多科学家的目光。最新研究发现，由于具有透明性、柔性、可快速加热及片层上温度的均匀性，石墨烯被视为理想的加热元件。采用CVD法制造的石墨烯薄膜的方块电阻可以低至430Ω/□，同时透光率可高达89%，因此被视为制造低压透明导电加热器的理想材料。
石墨烯具有非常好的光学特性，单层石墨烯在较宽波长范围内的吸光率约为2.3%，即透光率约为97.7%，看上去几乎是透明的。理论和实验结果表明，大面积的石墨烯薄膜同样具有优异的光学特性，且其光学特性随石墨烯厚度的改变而发生变化。以石墨烯为原料制成的石墨烯透明导电薄膜具有优异的透光性和导电性，因此石墨烯透明导电薄膜被广泛用于触摸屏和柔性显示领域，并有可能取代ITO成为下一代柔性显示领域不可或缺的材料。
作为具有完美化学结构的材料，石墨烯的化学性质也被广泛研究，主要是基于石墨烯表面碳原子的化学反应，涉及石墨烯的表面化学修饰，从而赋予石墨烯材料各种新的性能。同时，石墨烯的二维结构使其表面可以吸附各种官能团，而这些官能团又可以引入新的化学活性，这些功能化的石墨烯作为新型材料可以在许多新的领域中得到应用。