化学法首先利用氧化反应将石墨氧化成氧化石墨，并通过在石墨层间的碳原子上引入含氧官能团来增加层间距，从而削弱层间的相互作用。
常用的氧化方法有 Brodie 法、Staudenmaier 法和 Hummers 法。其原理是先用强酸处理石墨，然后加入强氧化剂进行氧化。将氧化后的石墨通过超声波剥离形成氧化石墨烯，然后加入还原剂进行还原，得到石墨烯。
常用的还原剂有水合肼、NaBH4和强碱超声还原。由于NaBH4价格昂贵且易于保留B元素，强碱超声还原操作虽然简单环保，但很难完全还原，还原后通常会留下大量含氧官能团。因此，通常使用相对便宜的水合肼来还原氧化石墨。. 水合肼还原的优点是还原能力强，水合肼易挥发，产品中无杂质残留。在还原过程中，通常加入适量的氨水，一方面提高水合肼的还原能力，另一方面提高石墨的还原能力。
石墨烯可以通过化学氧化还原法大量制备，中间产物氧化石墨烯在水中的分散性好，易于干燥，实现石墨烯的改性和功能化。因此，这种方法常用于干法复合材料。储能等研究。然而，由于氧化超声处理过程中缺少部分碳原子，还原过程中含环官能团的残留，所制备的石烯往往含有较多的钟形陷阱，降低了其电导率，限制了其对石墨烯的质量。