Hiiliatomien välisten vahvojen sidosten ja katkeamattoman kuvion ansiosta grafeenia pidetään tällä hetkellä vahvimpana materiaalina. Koska grafeenin varauksenkuljettajilla on pieni tehollinen massa, niillä on houkuttelevat sähkö- ja lämpöominaisuudet elektronisten laitteiden kannalta. Sähköisiin ominaisuuksiin kuuluvat optinen läpinäkyvyys, suuri virrankuljetuskyky ja suuri kantajien liikkuvuus tai nopeus. Lämpöominaisuuksiin kuuluvat korkea lämmönjohtavuus ja suuri mekaaninen lujuus. Grafeeni johtaa sähköä siten, että elektronit liikkuvat huomattavasti nopeammin kuin pii ja keskeytyksiä on vähemmän. Se on myös erinomainen lämmönjohdin ja johtaa lämpöä riippumatta vallitsevasta lämpötilasta. Grafeenin kaksiulotteinen rakenne parantaa transistorien vaatimaa sähköstaattisuutta. Painon mukaan grafeeni on vahvempaa kuin teräs.
Mekaaninen kuorinta bulkkigrafiitista ja epitaksiaalisesti kasvatettujen SiC-kiteiden grafitointi ovat kaksi tärkeintä grafeenin valmistustekniikkaa. Ensimmäisessä menetelmässä kerroksellinen grafiitti kuoritaan, ja se on luonteeltaan yksinkertainen ja kykenee tuottamaan yksittäisiä grafeenikerroksia. Toisessa menetelmässä SiC-kiteet altistetaan yli 2350° F:n (1300° C:n) lämpötiloille, jolloin vähemmän tiukasti kiinni olevat piiatomit höyrystyvät pinnalta.
Grafeenia harkitaan käytettäväksi monissa eri sovelluksissa ja eri aloilla. Grafeenia käytetään akkujen kapasiteetin ja latausnopeuden lisäämiseen. Sen avulla voidaan myös epäsuorasti lisätä akkujen käyttöikää. Grafeenia mukautetaan moniin nykyisiin ja suunniteltuihin hiilinanoputkien sovelluksiin. Koska elektronien siirtymiseen kerrosten välillä tarvitaan vähemmän valoenergiaa, grafeenia tutkitaan käytettäväksi aurinkokennoissa. Sitä harkitaan myös käytettäväksi teknologiassa, kuten transistoreissa ja läpinäkyvissä näytöissä.