石墨烯的内部结构特征显著，碳原子以sp2杂化轨道形成键，呈现出独特的性质。每个碳原子都有四个价电子，其中三个电子参与形成sp2键，留下一个未成键的pz轨道电子。这些未成键电子使得邻近碳原子之间的pz轨道能够形成π键，而这些π键处于半填充状态。研究显示，石墨烯中的碳原子配位数为3，两个相邻碳原子之间的键长约为1.42×10^-10米，键角为120°。除了形成σ键并构成六角环的蜂窝状层状结构外，每个碳原子的垂直pz轨道还能够形成跨越整个层的多原子大π键，类似于苯环，这赋予了石墨烯卓越的导电性和光学性能。