Kľúčový rozdiel medzi grafénom a uhlíkovými vláknami je ten, že grafén má hrúbku vrstvy jediného atómu uhlíka, zatiaľ čo uhlíkové vlákno má hrúbku v mikrometrickej mierke.
Grafén aj uhlíkové vlákno sú látky obsahujúce uhlík. Grafén obsahuje iba atómy uhlíka, zatiaľ čo uhlíkové vlákno väčšinou obsahuje uhlík spolu s niektorými ďalšími prvkami, ako je kyslík a dusík. Ďalším dôležitým rozdielom medzi grafénom a uhlíkovými vláknami je spôsob, akým sa uhlíkové pláty vzájomne blokujú v týchto látkach. Oba typy však obsahujú uhlík usporiadaný do rovnakého pravidelného šesťuholníkového vzoru.
