石墨分子结构式是由许多重复的单体堆叠而成的3维的六角型，分子结构式如图所示。一个重复单体由六个碳原子和六个氢原子组成，六个碳原子键在一个平面内，而氢原子则跨过三条碳—碳键。石墨中的碳原子间的相互作用显著，它们的大部分电子不久释放出去形成了非常稳定的六角型结构。石墨的结构优势使它成为物理性质强度最高的碳基分子，是一种稳定的合成体。从结构中可以看出，其他分子内的碳原子与石墨的碳原子都有一定的区别，这就是碳的六方晶体结构使其具有独特的性质的原因。