在本质上，石墨烯是分离出来的单原子层平面石墨。按照这说法，自从20世纪初，X射线晶体学的创立以来，科学家就已经开始接触到石墨烯了。1918年，V. Kohlschütter和P. Haenni详细地描述了石墨氧化物纸的性质(graphite oxide paper)。1948年，G. Ruess和F. Vogt发表了最早用透射电子显微镜拍摄的少层石墨烯(层数在3层至10层之间的石墨烯)图像。

　　关于石墨烯的制造与发现，最初，科学家试着使用化学剥离法(chemical exfoliation method)来制造石墨烯。他们将大原子或大分子嵌入石墨，得到石墨层间化合物。在其三维结构中，每一层石墨可以被视为单层石墨烯。经过化学反应处理，除去嵌入的大原子或大分子后，会得到一堆石墨烯烂泥。由于难以分析与控制这堆烂泥的物理性质，科学家并没有继续这方面研究。还有一些科学家采用化学气相沉积法，将石墨烯薄膜外延生长(epitaxial growth)于各种各样衬底(substrate)，但初期品质并不优良。

　　于2004年，曼彻斯特大学和俄国切尔诺戈洛夫卡微电子工艺研究所(Institute for Microelectronics Technology)的两组物理团队共同合作，首先分离出单独石墨烯平面。海姆和团队成员偶然地发现了一种简单易行的制备石墨烯的新方法。他们将石墨片放置在塑料胶带中， 折叠胶带粘住石墨薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成——他们制得了石墨烯。当然，仅仅是制备是不够的。通常，石墨烯会隐藏于一大堆石墨残渣内，很难得会如理想一般地紧贴在基板上;所以要找到实验数量的石墨烯，犹如大海捞针。甚至在范围小到1 C㎡的区域内，使用当时的尖端科技，也无法找到。海姆的秘诀是，如果将石墨烯放置在镀在一定厚度的氧化硅硅片上。利用光波的干涉效应，就可以有效地使用光学显微镜找到这些石墨烯。这是一个非常精准的实验，例如：假若氧化硅的厚度相差超过5%，不是正确数值300nm，而是315nm，就无法观测到单层石墨烯。

　　近期，学者研究在各种不同材料基底上面的石墨烯可见度和对比度，同时也提供一种简单易行可见度增强方法。另外，使用拉曼显微学(Raman microscopy)的技术做初步辨认，也可以增加筛选效率。

　　于2005年，同样曼彻斯特大学团队与哥伦比亚大学的研究者证实石墨烯的准粒子(quasiparticle)是无质量迪拉克费米子(Dirac fermion)。类似这样的发现引起一股研究石墨烯的热潮。