石墨烯是目前世界上最薄且最坚硬的纳米材料，这一特性引起了研究人员的极大兴趣，其主要性能和制备方式已经被许多科学家和学者反复讨论验证。此外，它具有的出色的电、热和光学特性，在电池、传感器、太阳能电池板、电子产品等各个领域具有许多应用潜力。

电池
新能源电池是石墨烯最早商用的重要领域。早前美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板，可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本，这种电池可在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。石墨烯超级电池的成功研发，解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题，极大加速了新能源电池产业的发展。这一系列研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺就了道路。
此外，有研究人员证实，其制备了一种由石墨烯和硅制成的锂离子电池，该电池一次充电可使用一周，仅15分钟即可完成充电。华为也曾发布了其对基于石墨烯的锂离子电池的研究，该电池具有更高的耐热性，且寿命是传统锂离子电池的两倍。

复合材料
通过在材料表面添加一些石墨烯，并加以其他工艺辅助，可以改善聚合物体系的性能和功能。少量添加石墨烯可以使环氧树脂的刚度和强度提高一倍，并且碳纤维增强体系的压缩性能显著提高，这有望为航空航天、高性能汽车、风能和体育应用提供性能更强的新一代聚合物和复合材料。

有研究人员将碳纳米管石墨烯添加到环氧树脂复合物中，并涂覆于直升机旋翼桨叶的前缘，其在一定条件下可融化1厘米（0.4英寸）厚的冰层。
国际车轮生产商Vittoria销售由石墨烯增强的复合材料制成的自行车车轮，石墨烯可为车轮提供了诸如散热（降低15-30°C）、增加横向刚度（超过50％）等优势。Applied Graphene Materials公司宣布已提供石墨烯材料，用于生产英国Century Composites制造的钓鱼竿。HEAD公司也推出了用于女士的石墨烯增强型滑雪板，名为Joy，意在轻巧耐用。

传感器
石墨烯因其独特的特性（包括大的体积比，独特的光学特性，出色的电学特性），在传感器应用中得到了极大的开发。例如，它已应用于葡萄糖、胆固醇、血红蛋白和癌细胞的诊断。同时，它也可以用作pH传感器来检测污染物。由于基于石墨烯的压力传感器占地面积小、重量轻，因此它对航空业也特别有吸引力。
石墨烯在空气或生物流体中不会氧化，通过将生物捕获分子和阻挡层应用于石墨烯，然后控制石墨烯与生物测试样品的液体之间的电压差，可以将石墨烯电路配置为场效应生物传感器。在各种类型的石墨烯传感器类型，生物传感器是第一种可出售的传感器。

医疗

石油化工

石墨烯纳米材料可以作为乳液稳定剂，或作为井眼强度改进剂，可以对钻井液和完井液具有流体渗透屏障的作用，这会为钻探活动产生“智能流体”，可以减少渗入岩层孔隙的流体、保持原始岩层压力、减少钻孔工具的磨损，以及减少钻杆液压粘附或卡住管道的可能性。

涂料

氧化石墨烯用作涂料的添加剂，可以用于从玻璃到金属的各种表面。通过简单的化学修饰，所得涂层在化学和热稳定性方面表现得像石墨，但在机械方面它们又变得非常坚固，几乎与石墨烯一样坚韧。