Το γραφένιο είναι μια από τις μορφές του άνθρακα. Όπως τα διαμάντια και ο γραφίτης, οι μορφές (ή "αλλοτροπίες") του άνθρακα έχουν διαφορετικές κρυσταλλικές δομές και αυτό τους προσδίδει διαφορετικές ιδιότητες. Το γραφένιο είναι η βασική 2D (δισδιάστατη) μορφή ενός αριθμού 3D αλλοτροπών, όπως ο γραφίτης, ο άνθρακας, το φουλερένιο και οι νανοσωλήνες άνθρακα.

Ο όρος γραφένιο επινοήθηκε ως συνδυασμός του γραφίτη και της κατάληξης "-ene" από τον Hanns-Peter Boehm, ο οποίος περιέγραψε το 1962 φύλλα άνθρακα ενός στρώματος. Το γραφένιο μοιάζει με δομή κηρήθρας ή "κοτετσόσυρμα", που αποτελείται από άτομα άνθρακα και τους δεσμούς τους. Ο γραφίτης είναι πολλά φύλλα γραφενίου στοιβαγμένα μεταξύ τους.

Τρία εκατομμύρια φύλλα γραφενίου στοιβαγμένα για να σχηματίσουν γραφίτη θα έχουν πάχος μόλις ένα χιλιοστό.

Το βραβείο Νόμπελ Φυσικής για το 2010 απονεμήθηκε στους Sir Andre Geim και Sir Konstantin Novoselov "για τα πρωτοποριακά πειράματα σχετικά με το δισδιάστατο υλικό γραφένιο".

Οι υπερπυκνωτές γραφενίου είναι μεταξύ των πιθανών εφαρμογών.