Το γραφένιο είναι ένα υλικό που σχηματίζεται από άτομα άνθρακα, διατεταγμένα σε εξαγωνική (κυψελοειδή) δομή. Πρόκειται για ένα δισδιάστατο υλικό με πάχος μόλις ενός ατόμου (περίπου 0,34 nm).
Το γραφένιο είναι πολύ πιο λεπτό από το γραφίτη, ο οποίος σχηματίζεται από αλλεπάλληλες στρώσεις γραφενίου. Το γραφένιο υψηλής ποιότητας είναι δυνατό, ελαφρύ, σχεδόν διάφανο και εξαιρετικός αγωγός της θερμότητας και του ηλεκτρισμού.