化學法首先利用氧化反應將石墨氧化為氧化石墨，通過在石墨層與層之間的碳原子上引入含氧官能團而增大層間距，進而削弱層間的相互作用。

常見的氧化方法有Brodie法、Staudenmaier法及Hummers法[40]，其原理均是先用強酸對石墨進行處理，然后加入強氧化劑進行氧化。

氧化后的石墨通過超聲剝離而形成氧化石墨烯，然后加入還原劑進行還原，從而得到石墨烯。

常用的還原劑有水合肼、NaBH4以及強堿超聲還原等。NaBH4由于價格比較昂貴且容易殘留B元素，而強堿超聲還原雖然操作簡單且較環保，但很難還原徹底，還原后通常會有大量含氧官能團的殘留，因而通常采用較廉價水合肼來還原氧化石墨。水合肼還原的優點在于還原能力較強且水合肼易于揮發，在產物中不會殘留雜質，在還原過程中，通常加入適量的氨水，一方面提高水合肼的還原能力，

另一方面可以使石墨烯的表面因帶負電荷而相互排斥，進而減少石墨烯的團聚。通過化學氧化還原法可以實現石墨烯的大批量制備，且中間產物氧化石墨烯在水中的分散性較好，易于實現對石墨烯的改性及功能化，因此該方法常被用于復合材料、儲能等研究中。但是因為氧化、超聲過程中部分碳原子的缺失以及還原過程中含氧官能團的殘留往往使得制得的石墨烯含有較多的缺陷，使其導電性降低，進而限制了其在對石墨烯質量要求較高的領域中的應用。