Grafeen is een van de vormen van koolstof. Net als diamanten en grafiet hebben de vormen (of 'allotropen') van koolstof verschillende kristalstructuren, waardoor ze verschillende eigenschappen hebben. Grafeen is de 2D-basisvorm (tweedimensionaal) van een aantal 3D-allotropen, zoals grafiet, houtskool, fullereen en koolstofnanobuizen.
De term grafeen werd bedacht als een combinatie van grafiet en het achtervoegsel '-een' door Hanns-Peter Boehm, die in 1962 koolstoffolies met één laag beschreef. Grafeen is als een honingraat of 'kippengaas'-structuur, gemaakt van koolstofatomen en hun bindingen. Grafiet is een groot aantal op elkaar gestapelde vellen grafeen.
Drie miljoen grafeenvellen gestapeld tot grafiet zouden slechts één millimeter dik zijn.
De Nobelprijs voor natuurkunde voor 2010 is toegekend aan Sir Andre Geim en Sir Konstantin Novoselov "voor baanbrekende experimenten met betrekking tot het tweedimensionale materiaal grafeen".
Supercondensatoren van grafeen behoren tot de mogelijke toepassingen.
