石墨是原子晶体、金属晶体和分子晶体之间的一种过渡型晶体。在晶体中同层碳原子间以sp2杂化形成共价键，每个碳原子与另外三个碳原子相联，六个碳原子在同一平面上形成正六边形的环，伸展形成片层结构。在同一平面的碳原子还各剩下一个p轨道，它们互相重叠，形成离域π键电子在晶格中能自由移动，可以被激发，所以石墨有金属光泽，能导电、传热。由于层与层间距离大，结合力（范德华力）小，各层可以滑动，所以石墨的密度比金刚石小，质软并有滑腻感。
石墨每一网层间的距离为3.40Å，是以范德华力结合起来的，即层与层之间属于分子晶体，同一网层中碳原子的间距为1.42Å，由于同一平面层上的碳原子间结合很强，极难破坏，所以石墨的熔点也很高，化学性质也稳定。鉴于它的特殊的成键方式，不能单一的认为是单晶体或者是多晶体，现在普遍认为石墨是一种混合晶体。
石墨属六方晶系，具完整的层状解理。解理面以分子键为主，对分子吸引力较弱，故其天然可浮性很好。
石墨质软，为黑灰色，有油腻感，可污染纸张。硬度为1～2，沿垂直方向随杂质的增加其硬度可增至3～5。比重为1.9～2.3。比表面积范围集中在1-20m2/g，在隔绝氧气条件下，其熔点在3000℃以上，是最耐温的矿物之一。它能导电、导热。
自然界中纯净的石墨是没有的，其中往往含有SiO2、Al2O3、FeO、CaO、P2O5、CuO等杂质。这些杂质常以石英、黄铁矿、碳酸盐等矿物形式出现。此外，还有水、沥青、CO2、H2、CH4、N2等气体部分。因此对石墨的分析，除测定固定碳含量外，还必须同时测定挥发分和灰分的含量。
石墨与金刚石、碳60、碳纳米管、石墨烯等都是碳元素的单质，它们互为同素异形体。
石墨由于其特殊结构，而具有如下特殊性质：
（1）耐高温性
石墨的熔点为3850±50℃，即使经超高温电弧灼烧，重量的损失很小，热膨胀系数也很小。石墨强度随温度提高而加强，在2000℃时，石墨强度提高一倍。
（2）导电、导热性
石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下，石墨成绝热体。石墨能够导电是因为石墨中每个碳原子与其他碳原子只形成3个共价键，每个碳原子仍然保留1个自由电子来传输电荷。
（3）润滑性
石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。
（4）化学稳定性
石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。
（5）可塑性
石墨的韧性好，可碾成很薄的薄片。
（6）抗热震性
石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。
石墨又可分为天然石墨和人造石墨两大类，天然石墨来自石墨矿藏，天然石墨还可分成鳞片石墨、土状石墨及块状石墨。天然开采得到的石墨含杂质较多，因而需要选矿，降低其杂质含量后才能使用，天然石墨的主要用途是生产耐火材料、电刷、柔性石墨制品、润滑剂、锂离子电池负极材料等，生产部分炭素制品有时也加入一定数量的天然石墨。
在炭素工业中生产量最大的是各种人造石墨制品，人造石墨制品一般用易石墨化的石油焦、沥青焦为原料，经过配料、混捏、成型、焙烧、石墨化（高温热处理）和机械加工等一系列工序而制成，生产周期长达数十天。
人造石墨的种类也很多，如单晶石墨、多晶石墨、热解石墨、高定向热解石墨、聚酰亚胺合成的石墨、石墨纤维等，多数人造石墨制品属于多晶石墨一类。人造石墨中的主要产品是电弧炼钢炉及矿热电炉使用的石墨电极，石墨电极是一种耐高温、耐腐蚀的导电材料。人造石墨在其他许多工业部门也有广泛的用途，如机械工业中电机用电刷、精密铸造模具、电火花加工的模具及耐磨部件，化学工业中的电解槽使用的导电体或耐腐蚀器材，高纯度及高强度人造石墨是核工业部门的反应堆结构材料和用作导弹火箭的部件等。
石墨还可制取散热材料、密封材料、隔热材料、和防辐射材料等，石墨功能材料广泛应用于冶金、化工、机械设备、新能源汽车、核电、电子信息、航空航天和国防等行业。欧盟委员会发布的《对欧盟生死攸关的原料》报告中，将石墨列入14 种紧缺矿产原料。
