氧化石墨烯的制备原理主要涉及到石墨与强氧化剂在特定溶液中的氧化反应。在这个过程中，石墨的片层间会被带入羟基、羧基、环氧基等集团，导致石墨层间距由氧化前的3、35A增加到7~10A。这些含氧官能团的存在使得氧化石墨烯表现出亲水性，并且可以高度分散在水溶液或其它有机溶剂中。
目前，制备氧化石墨烯使用最广泛的方法是Hummers方法。其原理是在强酸条件下对石墨进行预处理，使酸性分子能够穿插进入石墨片层之间，形成插层产物。随后加入强氧化剂，将石墨从片层四周向片层中间进行氧化，并将层间距拉大。最后加水稀释，生成含氧基团，并通过超声分散得到氧化石墨烯。
通过这种方法，可以大量、高效地制备石墨烯氧化物，这也是大规模制备石墨烯材料的另一条有效途径。石墨烯氧化物与干净的石墨烯表现出迥异的电子结构，所以在应用中需要考虑其特殊的性质。