石墨化原理主要涉及碳原子在高溫和特定條件下從亂層結構向石墨晶體結構的有序轉化。這一過程可以通過不同的機理來解釋：
碳化物轉化機理：在這一機理中，碳化物首先形成，然後在高溫下分解為金屬蒸汽和石墨。這個過程可能涉及催化劑的作用，如某些礦物質。
再結晶理論：炭素原料中存在的極小石墨晶體在熱作用下通過碳原子的擴散和焊接形成較大的石墨晶體。新晶體的形成和生長與原晶體的定向性保持一致，且石墨化度與溫度和維穩時間有關。
微晶成長理論：起始物質為稠環芳烴化合物，這些化合物在熱作用下經歷一系列熱解反應，最終形成巨大的平面分子聚集，即微晶。這些微晶隨著溫度的升高而增大。
催化石墨化機理：無定形碳溶解於有催化作用的添加物中形成熔合物，通過原子重排，碳從過飽和熔體中以石墨晶體形式析出。另一種機理涉及無定形碳與有催化作用的添加物形成碳化物，這些碳化物在更高溫度下分解生成石墨和金屬蒸汽。
在鋼的石墨化過程中，碳化物分解成游離的石墨，這個過程是自發進行的。鋼中的滲碳體分解成為游離碳並以石墨形式析出，形成石墨「夾雜」，導致鋼材發生脆化，強度和塑性降低。
鑄鐵的石墨化機理涉及鑄鐵在凝固過程中石墨的析出。鑄鐵中的碳可以以石墨或滲碳體兩種形式存在，其結晶過程按照鑄鐵雙重相圖進行。如果鐵液冷卻較慢且含有促進石墨化的元素，則碳將以石墨形式存在，形成灰口鑄鐵。
為了抑制石墨化，可以採取向鋼中加入合金元素如Cr、Ti、Nb等，避免使用促進石墨化的Al脫氧，以及採用退火或回火處理等措施。