基于石墨烯的气体分子检测传感器的工作原理是测量材料导电率的变化。基于石墨烯的气体传感器的工作原理是在石墨烯表面吸附气体分子，作为电子的供体或受体。
研究表明，用石墨烯可以测量传导的量子尺度变化。考虑到这一点，将这些传感器推向最佳水平以检测单个气体分子的可能性似乎是可信的。这种最终的灵敏度可能与几个因素有关，包括测量时的温度和目标气体的流速。
在这一应用中，石墨烯拥有作为一种极低噪声材料的优势。正因为如此，即使在没有载流子和多出几个电子的极限情况下，石墨烯的载流子浓度也能够发生很大的变化。除了这个优点之外，石墨烯在这个应用中还可以在单晶上创建四探针器件。这保证了任何接触电阻对限制灵敏度的影响都被消除了。
化学传感器
也有研究表明，石墨烯是电解质栅极配置中有效的化学传感器。基于石墨烯的顶栅绝缘体可以在电解质中制造薄至1至5纳米，浓度为几毫摩尔。即使是最好的、采用原子层沉积(ALD)的顶栅石墨烯场效应晶体管(FET)也无法与这些水平相匹配。
在电化学DNA传感器、葡萄糖传感器等氧化酶生物传感器的电极材料，以及环境分析，特别是重金属离子检测方面，基于石墨烯的电化学传感器已经被开发出来。
研究表明，石墨烯在酶的直接电化学、小生物分子的电化学检测和电分析三个方面都优于碳纳米管。尽管取得了这一成功，但目前还不能批量生产这些应用所需的石墨烯，尽管这种情况正在迅速改变。
光学传感器
光电传感器的市场与透明导体中的铟锡氧化物（ITO）替代物基本相同。石墨烯的高导电性和近乎透明的特性使其成为光电电池和光电传感器中透明电极的一个吸引人的选择。
三星已经制造出了一款使用石墨烯替代ITO的触摸屏显示器产品，不过目前还不清楚这究竟是一个商业企业，还是仅仅展示了基于石墨烯的触摸屏显示器是未来的一种可能性。不管是哪种情况，石墨烯相对于ITO的关键优势在于，它与柔性屏幕的兼容性更强。
基于石墨烯的光电探测器的工作原理是测量光子通量。它通过将吸收的光子能量转换为电流来测量。与基于IV族和III-V族半导体的传统探测器相比，石墨烯基光电探测器具有更宽的工作波长范围。此外，石墨烯拥有比其他材料更优越的载流子迁移率，这意味着它的响应时间比其他光电探测器的响应时间快得多，这应该会转化为超快的光学传感器。
最初，石墨烯似乎并不是磁场传感器应用的合适选择。典型的InAs传感器的室温霍尔系数要远远好于基于石墨烯的传感器，但是，当我们清楚石墨烯的厚度只有0.34纳米，而InAs的厚度为12纳米时，就会发现，与InAs相比，石墨烯确实具有吸引人的霍尔效应电阻。
此外，与典型的二维电子气体器件不同，石墨烯不必隐藏在额外的层下，这确实使其在霍尔效应传感方面具有一定的优势。
虽然最近的一些研究在一定程度上克服了这个问题，但基于石墨烯的磁场传感器在室温下电子的热激发比石墨烯的这种磁阻效应更占优势。
机械式传感器
机械传感器可以检测物理特性的变化，例如，通过感知影响材料的物理变形来检测材料何时受到了压力。机械传感器还能够检测谐振频率的变化，以及测量质量、力、压力、应变、速度、加速度和重量。
研究人员此前已经表明，石墨烯可以成功地用作应变和压力传感器。在基于石墨烯的应变和压力传感器中，利用石墨烯作为一种活性材料来感知物理信号，包括应变和压力。由于石墨烯材料具有较高的导电性，因此常被用作石墨烯基应变和压力传感器的导电层或电极。
传统的石墨烯基应变和压力传感器的传导方式包括电阻式、电容式和压电式。电阻式传感器将外力转化为电阻的变化，通过电信号的改变，可以直接被预埋的检测电路检测到。它通过电阻的变化获得电阻传感信号，电阻效应是石墨烯的特性。
由于石墨烯的高导电性和良好的机械性能，石墨烯基电阻传感器获得了超高的灵敏度。作为一种常见的应变和压力传感器，石墨烯基电阻传感器的优点很多，包括：检测范围广，简单的设备建设信号测试电容式传感器可以通过将机械刺激信号转换为位移信号来检测不同形式的力。位移的变化会导致电容的变化，由于石墨烯具有高水平的导电性、吸引人的机械性能和大的比表面积，因此它是电容式传感器中电导体和电极的绝佳选择。
高灵敏度和快速响应的压电材料被广泛应用于压力传感器中，将压力转换成电信号。压电材料在机械变形时，会产生电荷，而电荷的作用也是相反的，所以当外部电场施加到压电材料上时，压电材料会发生机械变形。对此的研究表明，石墨烯可以被工程化，使其具有压电特性。
研究还表明，单层石墨烯可以实现负压电效应，双层和多层石墨烯可以实现正压电传导效应。基于石墨烯的压电传感器由于具有超快的响应时间和超高的灵敏度，已被用于检测连续静压信号和垂直振动。
柔性传感器
石墨烯基材料在柔性和可拉伸的应变和压力传感器、光电探测器、霍尔传感器、电化学传感器和生物传感器方面已经显示出潜力。
由于石墨烯固有的柔韧性，当对其施加机械应变时，其电性能不会降低。因此，石墨烯一直被认为是制造高伸缩性和柔性传感器和其他电子器件的理想材料。
对这一领域的进一步调查研究表明，柔性应变传感器可以由压阻石墨烯、微流体液态金属和可拉伸151弹性体制成。为了实现石墨烯传感元件的柔性电接触，将液态金属放入微流体通道中作为互连材料。
柔性应变传感器在可穿戴电子产品中可能会有应用，特别是在运动和锻炼过程中的监测目的。目前已有研究人员利用一种具有压缩特性的石墨烯基复合纤维开发出了这种类型的柔性应变传感器，并将其集成到可穿戴式应变传感器中。该传感器结构由以聚氨酯为核心纤维、聚酯纤维为高弹性纱线组成的。