Kluczowa różnica między grafenem a włóknem węglowym polega na tym, że grafen ma grubość pojedynczej warstwy atomów węgla, podczas gdy włókno węglowe ma grubość w skali mikrometrów.
Zarówno grafen, jak i włókno węglowe to substancje zawierające węgiel. Grafen zawiera tylko atomy węgla, podczas gdy włókno węglowe zawiera głównie węgiel oraz niektóre inne pierwiastki, takie jak tlen i azot. Inną ważną różnicą między grafenem a włóknem węglowym jest sposób, w jaki arkusze węglowe zazębiają się w tych substancjach. Jednak oba typy zawierają węgiel ułożony w ten sam regularny sześciokątny wzór.