石墨的地质成因主要源于两种过程：变质作用和沉积作用。在变质作用方面，当富含碳质的岩石，如古代的煤层或富含有机质的页岩，受到高温高压环境影响时，会发生深刻的变质。通常情况下，地下深处的温度可超过 300℃，压力达数亿帕斯卡，在这样的极端条件下，碳质材料中的化学键断裂重组，碳原子逐渐排列成石墨的六边形层状结构，完成从有机质到石墨的华丽转身。这种变质成因的石墨多为鳞片石墨，常见于古老造山带的变质岩系中，像我国秦岭山脉部分地区的石墨矿就属此类。
沉积作用也能形成石墨，不过相对少见。在特定的海洋或湖泊环境下，死亡的生物遗体携带大量碳元素沉积在水底，经过漫长地质岁月，这些沉积物在细菌等微生物作用下，发生缓慢的分解、转化，部分碳元素逐渐富集并结晶形成石墨。这种沉积成因的石墨一般呈细小颗粒状，分散于沉积地层中，与其他矿物共生。总体而言，无论是变质还是沉积，地质作用赋予了石墨独特的诞生方式，也决定了其分布、品质特征，为人类利用石墨资源奠定了自然基础。