Klíčovým rozdílem mezi grafenem a uhlíkovými vlákny je to, že grafen má tloušťku vrstvy jediného atomu uhlíku, zatímco uhlíkové vlákno má tloušťku v mikrometrickém měřítku.
Jak grafen, tak uhlíková vlákna jsou látky obsahující uhlík. Grafen obsahuje pouze atomy uhlíku, zatímco uhlíková vlákna většinou obsahují uhlík spolu s některými dalšími prvky, jako je kyslík a dusík. Dalším důležitým rozdílem mezi grafenem a uhlíkovými vlákny je způsob, jakým se uhlíkové desky vzájemně spojují v těchto látkách. Oba typy však obsahují uhlík uspořádaný ve stejném pravidelném šestihranném vzoru.
