石墨烯内部碳原子的排列方式与石墨单原子层一样以sp2杂化轨道成键，并有如下的特点：碳原子有4个价电子，其中3个电子生成sp2键，即每个碳原子都贡献一个位于pz轨道上的未成键电子，近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向可形成π键，新形成的派键呈半填满状态。研究证实，石墨烯中碳原子的配位数为3，每两个相邻碳原子间的键长为一点四二乘以十的负十次方米，键与键之间的夹角为一百二十度，每个碳原子的垂直于层平面的pz轨道可以形成贯穿全层的多原子的大派键（与苯环类似），因而具有优良的导电和光学性能。