Atendiendo a su estructura electrónica, uno de los aspectos más interesantes del grafeno es la naturaleza de sus portadores de carga, que se comportan como fermiones de Dirac, en lugar de seguir la ecuación de Schrödinger. La presencia de orbitales Π y Π antienlazante es el responsable de que las bandas correspondientes a los orbitales llenos y vacíos se reduzca progresivamente hasta el extremo en que acaben tocándose que resulta en una anchura de banda de 0 eV.
Los orbitales de los átomos se combinan entre sí para generar estados electrónicos deslocalizados con un rango de energías que llega al nivel de Fermi, siendo estos los responsables de la conductividad del grafeno. De manera que los electrones se mueven por la superficie del grafeno como quasipartículas con masa efectiva nula a una velocidad constante de 106 m/s1 (unas 300 veces menor que la velocidad de la luz en el vacío). De manera que a temperatura ambiente, los portadores de carga poseen una elevada movilidad (2·105 cm2/V·s) a una densidad de carga de 2·1011cm-2. Debido a estas propiedades el grafeno se postula como un sustituto ideal del silicio en la fabricación de circuitos integrados con altas prestaciones.
Las propiedades electrónicas varían muy considerablemente del grafeno al óxido de grafeno. La conductividad eléctrica se ve reducida en el óxido de grafeno con respecto al grafeno, a causa de los defectos y la presencia de grupos oxigenados anclados en la superficie y en los bordes, que hace que se alcancen altos valores de resistencia eléctrica 4MΩ/sq. Pero en realidad el óxido de grafeno es un material electrónicamente híbrido, que puede presentar tanto estados Π conductores de los carbonos sp2, como un gran gap de energía entre los estados σ de sus carbonos sp3. La fracción de sp2/sp3 se puede variar mediante la reducción, de modo que se puede cambiar su bandgap y conferirle carácter aislante, semiconductor o semimetálico como el grafeno. No obstante, por mucho que el G-O se reduzca, lo que no puede recuperarse es la movilidad electrónica por la inevitable presencia de multitud de defectos en la estructura.
Se han descrito transistores de grafeno con una movilidad de huecos y electrones de 3735 cm2/Vs y 795 cm2/Vs y una frecuencia de corte de 300 GHz. También ha sido muy importante la investigación sobre el uso del grafeno en aparatos de memoria digital, usando tanto grafeno prístino, como rG-O e incluso híbridos de grafeno y polímero. Otro de los campos en los que se usa es en el de los aparatos optoelectrónicos, se ha descrito la preparación de pantallas táctiles y LEDs flexibles, donde el grafeno presenta una conductividad similar a las actuales películas de óxido de indio y estaño (ITO), pero presentando una mayor flexibilidad. El objetivo de las investigaciones actuales es conseguir que el grafeno sustituya al ITO.
