化学法首先利用氧化反应将石墨氧化为氧化石墨，通过在石墨层与层之间的碳原子上引入含氧官能团而增大层间距，进而削弱层间的相互作用。
常见的氧化方法有Brodie法、Staudenmaier法及Hummers法[40]，其原理均是先用强酸对石墨进行处理，然后加入强氧化剂进行氧化。
氧化后的石墨通过超声剥离而形成氧化石墨烯，然后加入还原剂进行还原，从而得到石墨烯。
常用的还原剂有水合肼、NaBH4以及强碱超声还原等。NaBH4由于价格比较昂贵且容易残留B元素，而强碱超声还原虽然操作简单且较环保，但很难还原彻底，还原后通常会有大量含氧官能团的残留，因而通常采用较廉价水合肼来还原氧化石墨。水合肼还原的优点在于还原能力较强且水合肼易于挥发，在产物中不会残留杂质，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，
另一方面可以使石墨烯的表面因带负电荷而相互排斥，进而减少石墨烯的团聚。通过化学氧化还原法可以实现石墨烯的大批量制备，且中间产物氧化石墨烯在水中的分散性较好，易于实现对石墨烯的改性及功能化，因此该方法常被用于复合材料、储能等研究中。但是因为氧化、超声过程中部分碳原子的缺失以及还原过程中含氧官能团的残留往往使得制得的石墨烯含有较多的缺陷，使其导电性降低，进而限制了其在对石墨烯质量要求较高的领域中的应用。
