根据应用要求，致密化的碳/碳材料往往需要经过2400 ~ 2800℃的高温热处理，使N、H、O、K、Na、Ca等杂质元素逸出，碳的晶格结构发生变化。这个过程被称为“石墨化”。石墨化处理后，碳/碳复合材料的强度和热膨胀系数降低，而热导率、热稳定性、抗氧化性和纯度提高。石墨化程度(通常由晶面间距d002表征)主要取决于石墨化温度。沥青碳易于石墨化，无定形碳(d002 = 0.344mm)的结构在2600℃热处理后可转变为石墨结构(理想石墨，d002 = 0.3354mm)，酚醛树脂碳化后往往形成玻璃碳，难以石墨化，需要高温(2800℃以上)和极慢的升温速率。沉积碳的石墨化程度与其沉积条件和微观结构有关。低压沉积的粗糙层状结构的沉积碳容易石墨化，而光滑层状结构的不容易石墨化。常用的石墨化炉有工业电阻炉、真空碳管炉和中频炉。在石墨化过程中，样品要么被埋在碳颗粒中并与大气隔离，要么将熔炉抽空或引入氩气以保护样品不被氧化。石墨化碳/碳产品的表面不应被氧化。经X射线无损检测，内部无裂纹。同时，石墨化使碳/碳制品的许多闭孔变成通孔，开孔的气孔率显著增加，非常有利于进一步浸渍和致密化。有时，在最终石墨化之后，碳/碳产品被再次浸渍或通过化学气相沉积处理以获得更高的材料密度。对于一些产品，在中等温度(例如1500℃)下处理它们可能是有益的，这样碳/碳材料可以被纯化，并且其抗氧化性可以被提高，而不增加其杨氏模量。