在本質(zhì)上，石墨烯是分離出來的單原子層平面石墨。按照這說法，自從20世紀(jì)初，X射線晶體學(xué)的創(chuàng)立以來，科學(xué)家就已經(jīng)開始接觸到石墨烯了。1918年，V.Kohlschütter和P.Haenni詳細(xì)地描述了石墨氧化物紙的性質(zhì)(graphiteoxidepaper)。1948年，G.Ruess和F.Vogt發(fā)表了最早用透射電子顯微鏡拍攝的少層石墨烯(層數(shù)在3層至10層之間的石墨烯)圖像。

關(guān)于石墨烯的制造與發(fā)現(xiàn)，最初，科學(xué)家試著使用化學(xué)剝離法(chemicalexfoliationmethod)來制造石墨烯。他們將大原子或大分子嵌入石墨，得到石墨層間化合物。在其三維結(jié)構(gòu)中，每一層石墨可以被視為單層石墨烯。經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)處理，除去嵌入的大原子或大分子后，會得到一堆石墨烯爛泥。由于難以分析與控制這堆爛泥的物理性質(zhì)，科學(xué)家并沒有繼續(xù)這方面研究。還有一些科學(xué)家采用化學(xué)氣相沉積法，將石墨烯薄膜外延生長(epitaxialgrowth)于各種各樣襯底(substrate)，但初期品質(zhì)并不優(yōu)良。

于2004年，曼徹斯特大學(xué)和俄國切爾諾戈洛夫卡微電子工藝研究所(InstituteforMicroelectronicsTechnology)的兩組物理團(tuán)隊共同合作，首先分離出單獨石墨烯平面。海姆和團(tuán)隊成員偶然地發(fā)現(xiàn)了一種簡單易行的制備石墨烯的新方法。他們將石墨片放置在塑料膠帶中，折疊膠帶粘住石墨薄片的兩側(cè)，撕開膠帶，薄片也隨之一分為二。不斷重復(fù)這一過程，就可以得到越來越薄的石墨薄片，而其中部分樣品僅由一層碳原子構(gòu)成——他們制得了石墨烯。當(dāng)然，僅僅是制備是不夠的。通常，石墨烯會隱藏于一大堆石墨殘渣內(nèi)，很難得會如理想一般地緊貼在基板上;所以要找到實驗數(shù)量的石墨烯，猶如大海撈針。甚至在范圍小到1C㎡的區(qū)域內(nèi)，使用當(dāng)時的尖端科技，也無法找到。海姆的秘訣是，如果將石墨烯放置在鍍在一定厚度的氧化硅硅片上。利用光波的干涉效應(yīng)，就可以有效地使用光學(xué)顯微鏡找到這些石墨烯。這是一個非常精準(zhǔn)的實驗，例如：假若氧化硅的厚度相差超過5%，不是正確數(shù)值300nm，而是315nm，就無法觀測到單層石墨烯。

近期，學(xué)者研究在各種不同材料基底上面的石墨烯可見度和對比度，同時也提供一種簡單易行可見度增強(qiáng)方法。另外，使用拉曼顯微學(xué)(Ramanmicroscopy)的技術(shù)做初步辨認(rèn)，也可以增加篩選效率。

于2005年，同樣曼徹斯特大學(xué)團(tuán)隊與哥倫比亞大學(xué)的研究者證實石墨烯的準(zhǔn)粒子(quasiparticle)是無質(zhì)量迪拉克費米子(Diracfermion)。類似這樣的發(fā)現(xiàn)引起一股研究石墨烯的熱潮。