石墨具有独特的晶体结构，对其性质和应用起着关键作用。
石墨的晶体结构为层状。在每一层中，碳原子以 sp²杂化轨道形成共价键，每个碳原子与周围三个碳原子以共价键相连，构成正六边形的平面网状结构。这种结构使得层内的碳原子结合非常紧密，具有很强的稳定性。在同一层内，由于共价键的作用，石墨具有良好的导电性和导热性。同时，层内的碳原子间距较小，使得石墨在平面方向上具有较高的强度。
然而，层与层之间的结合力则是较弱的范德华力。这就使得石墨层与层之间容易相对滑动，从而赋予了石墨良好的润滑性能。层间距较大也使得一些小分子或离子可以插入层间，形成插层化合物。石墨的层状结构还决定了它具有各向异性的特点，即在不同方向上的物理性质有所不同。例如，垂直于层方向的导电性和导热性明显低于平行于层方向。
总的来说，石墨的晶体结构使其兼具了多种优异的性能，成为一种在众多领域都有广泛应用的重要材料。