石墨烯高分子纳米复合材料的应用引起了学者们的强烈关注，石墨烯高分子复合材料在生物医学、太阳能电池、电子存储器、超级电容器、催化剂和阻燃剂等诸多应用领域均取得了较大的成功。
1生物医学
基于石墨烯和石墨烯基复合材料在生物传感器方面的应用研究已经取得了一些成就；DNA和石墨烯的复合薄膜已经通过溶液混合的方法制备得到，其它生物高分子和石墨烯的复合材料的制备可以采用类似的方法。通过还原态氧化石墨烯间的PVA链物理交联制备具有生物相容性的水凝胶复合材料，能够通过改变溶液的pH值来控制维生素B12的释放；研究者还发现，石墨烯基聚氧乙烯山梨醇月桂酸酯复合材料具有无毒、较好的生物相容性，可以预期该材料在移植设备，微创仪器，植入物等医学领域得到很好的应用。其它具有生物相容性且可生物降解的聚合物复合材料，如将氧化石墨烯薄片掺杂到壳聚糖和聚交酯中，可以极大地拓宽那些被机械性能所限制的聚合物复合材料的应用范畴。
2太阳能电池
石墨烯基高分子复合材料可以被应用在太阳能电池材料，一些功能化的石墨烯材料已经作为电子受体应用在聚3-己基噻吩（P3HT）和聚3-辛基噻吩（P3OT）基太阳能电池中。例如，石墨烯被异氰酸苯酯或丁胺功能化来提供其可溶性，然后再和P3HT或P3OT混和。制备出的P3OT基石墨烯太阳能电池具有0.32％的能量转化效率，但是在退火后，效率达到1.4％，主要是由于石墨烯组分中官能团的迁移和P3OT组分的相容性和结晶性的提高。石墨烯基高分子复合材料同样被应用在异质结太阳能电池的一些组分中。通过将聚合物链嫁接到石墨烯片层上，P3HT的电子离域能力得到提高，在这种情况下，石墨烯在电子输运中充当了促进剂。例如，嫁接了石墨烯的P3HT双层太阳能电池的能量转化效率比纯的P3HT/C60电池高两倍。
3超级电容器
超级电容器作为一种新型储能装置，以比功率超高和循环寿命良好著称，但比能量较低一直是制约其应用的瓶颈。因此，研究人员尝试将一些过渡金属氧化物或氢氧化物甚至有机氧化还原对结构引入到石墨烯体系，在适当降低团聚进而增大双电层电容的同时，又给体系引入赝电容，从而显著地改善了材料的电容行为。
石墨烯表面可以形成双电层，有利于电解液的扩散，因此基于石墨烯的超级电容器具有良好的功率性能。
4高强度体育用品
目前，传统的体育器材大都采用木材或金属材料等，这些材料的物理特性使体育器材的强度受到很大程度上的限制，已达不到现阶段人们的需求。添加适量的石墨烯能使石墨烯高分子纳米复合材料的尺寸稳定性、韧性、耐热性和力学性能同时得到显著的提高。大量的理论和实验证明，石墨烯高分子纳米复合材料凭借其机械强度高的特点在体育用品领域有着重要的潜在应用价值。
5其他应用
在一系列的电致变色设备中，石墨烯高分子纳米复合材料还可作为电极材料。高分子/石墨烯柔韧电极有一些商业应用，如显示器等。而石墨烯高分子纳米复合材料还可以提供适用于电磁辐射的轻量级有效屏蔽材料。
石墨烯高分子纳米复合材料其他的商业应用包括：轻汽油灌、塑料容器、省油飞机和汽车部件、较强的风力涡轮机、医疗埋植剂和运动器材等。总之，石墨烯作为纳米填充物的发现，为生产重量轻、成本低、性能高的复合材料开辟了一个新的领域。
尽管石墨烯高分子纳米复合材料的发展仍然处在初期阶段，但是它具有的巨大潜力已引起广大专家和学者们的极大兴趣。随着对这个领域研究的不断深入，其应用范围必将不断地扩大。然而，为充分发挥其潜能，仍面临许多挑战。进一步改善石墨烯复合材料的性能还需要重视形态学的影响。因为缺陷和皱褶可能影响其增强能力，因此加强剥离和分散技术的研究，进而提高石墨烯复合材料的机械性能。同时，增加对石墨烯填充物空间组织的掌握，也有利于几乎所有类型复合材料性能的研究。虽然目前石墨烯复合材料面临着巨大挑战，但是其工业和商业价值不可估量，并且未来会更加明显。
