石墨烯是目前已知的力学强度最高的材料，并有可能作为添加剂广泛应用于新型高强度复合材料之中。用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣和"太空电梯"用的超韧缆线，研究表明石墨烯增强聚乙烯醇(PVA)复合材料，只需要添加0.7%(重量比)的石墨烯，就可以使复合材料的拉伸强度提高76 %，同时其杨氏模量增加62%;另外，在功能化石墨烯增强的聚氨酯复合材料中，石墨烯含量为1%时，其复合材料的强度提高75%，模量提高120 %。

在电子应用方面石墨烯的应用范围很广，从柔性电子产品到智能服装，从可折叠显示器到有机太阳能电池，甚至未来的全碳电路都是以石墨烯为原料。研究表明，石墨烯可以被刻成尺寸不到1个分子大小的单电子晶体管，石墨烯单电子晶体管可在室温下工作，而10纳米是硅材料技术无法再发挥作用的小型化极限，有研究者认为石墨烯可能最终会替代硅。石墨烯器件制成的计算机CPU的运行速度可达到太赫兹，即1千兆赫兹的1000倍。

石墨烯在高灵敏度传感器和高性能储能器件方面也已经展示出诱人的应用前景。