石墨是原子晶體、金屬晶體和分子晶體之間的一種過渡型晶體。在晶體中同層碳原子間以sp2雜化形成共價鍵，每個碳原子與另外三個碳原子相聯，六個碳原子在同一平面上形成正六邊形的環，伸展形成片層結構。在同一平面的碳原子還各剩下一個p軌道，它們互相重疊，形成離域π鍵電子在晶格中能自由移動，可以被激發，所以石墨有金屬光澤，能導電、傳熱。由于層與層間距離大，結合力（范德華力）小，各層可以滑動，所以石墨的密度比金剛石小，質軟并有滑膩感。 

石墨每一網層間的距離為3.40?，是以范德華力結合起來的，即層與層之間屬于分子晶體，同一網層中碳原子的間距為1.42?，由于同一平面層上的碳原子間結合很強，極難破壞，所以石墨的熔點也很高，化學性質也穩定。鑒于它的特殊的成鍵方式，不能單一的認為是單晶體或者是多晶體，現在普遍認為石墨是一種混合晶體。