Grafeen is een materiaal dat gevormd wordt door koolstofatomen die gerangschikt zijn in een hexagonale (honingraat-achtige) structuur; het is een 2-dimensionaal materiaal van slechts één atoom dik (ongeveer 0,34 nm).
Grafeen is een veel dunnere vorm van grafiet; grafiet wordt gevormd door een aantal op elkaar gestapelde lagen grafeen. Hoogwaardige grafeen is sterk, licht, nagenoeg transparant en een zeer goede geleider van warmte en elektriciteit.