在蒸馏水中将氧化石墨烯以不同的时间加热到不同程度，称为水热脱水法，这种方法可将氧化石墨烯转化成稳定的石墨烯溶液[周等（Zhou et al.），2009]。在水热过程中，使用过热的超临界水（SC）代替有机溶液充当还原剂，然后将氧化石墨烯水溶液在180℃条件下的反应釜中处理6h。水热处理后，氧化石墨烯溶液的颜色会从黄褐色变成黑色，最后生成的石墨烯沉淀物呈黑色粉末状。

在水热还原氧化石墨烯的过程中，水是氢离子（H+）的来源。这种方法的优势在于除了能移除氧化石墨烯的含氧功能团，还能修复芳香结构。此外，通过控制水热温度还能改变氧化石墨烯的物理特性和石墨烯可调谐的光限幅性能。除此以外，因为在水中可催化各种异裂（离子化）反应，压力和温度的变化也能大幅改变石墨烯的物理化学特性。

氧化石墨烯水溶液的pH值也会影响生成石墨烯的类型。当pH值为碱性值（11）时，能获得稳定的石墨烯溶液，但当pH值为酸性值（3）时，获得的石墨烯就会聚集在一起，就算加入浓氨溶液也分不开。在这一过程中，由于水比通常的液相含有更多的H+，加热的水能够促进有机化合物发生酸性催化反应。(www.daowen.com)

通过水热还原氧化石墨烯制造石墨烯所面临的挑战：水热过程在高温高压下会产生蒸汽。在这种情况下，水会产生H+帮助还原石墨烯。由于水热过程除了水以外无须使用其他任何化学物质，所以此方法较为经济，但生成的石墨烯较小，因此只适用于生产小体积的石墨烯。