石墨是介于原子晶体、金属晶体和分子晶体之间的过渡晶体。在晶体中，同层碳原子通过sp2杂化形成共价键，每个碳原子与其他三个碳原子相连，六个碳原子在同一平面上形成正六角环，延伸形成层状结构.同一平面上的碳原子各有一个p轨道左，它们相互重叠形成离域的π键。电子可以在晶格中自由移动，可以被激发，因此石墨具有金属光泽，可以导电和导热。由于层间距离大，结合力（范德华力）小，每一层都可以滑动，所以石墨的密度比金刚石低，而且柔软光滑。
石墨的每个网络层之间的距离为3.40Å，由范德华力结合，即各层属于分子晶体，同一网络层中的碳原子之间的距离为1.42Å，由于碳同一平面层上的原子。它们之间的结合力很强，极难破坏，所以石墨的熔点也很高，化学性质稳定。鉴于其特殊的键合方式，不能将其视为单晶或多晶。现在普遍认为石墨是一种混晶。
石墨属于完全层状解理的六方晶系。解理面以分子键为主，对分子的吸引力较弱，因此其自然浮力很好。