Strukturell gibt es zwei Grundtypen von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) – einwandige Nanoröhren (SWNT) und mehrwandige Nanoröhren (MWNT) – aber auch die Anordnung der Kohlenstoffatomgruppen in diesen Strukturen variiert. Kohlenstoffnanoröhren sind im Wesentlichen aufgerollte Graphitschichten, die auf einer Reihe von ineinandergreifenden, hexagonalen Bindungen mit sechs Kohlenstoffatomen aufgebaut sind. Diese Bindungen können in einer von drei Konfigurationen angeordnet sein: Zick-Zack, wo sie sich in einem linearen Muster entlang der Länge der zylindrischen Nanoröhrenwand abwechseln; Sessel, dessen Struktur eine Ansammlung gerader Linien von Verbindungen ist; und chiral, wobei die Bindungen in linearer Weise zu einem linken oder rechten Winkel entlang der Länge der Röhre driften.
Innerhalb dieser grundlegenden Klasse von Strukturen unterscheiden sich Kohlenstoffnanoröhren auch dadurch, dass sie gerade Zylinder sind oder in irgendeiner Weise verzerrt sind, wie z. B. gewendelt oder verzweigt. Weitere Formen, die geschaffen wurden, umfassen die Nanoröhre mit einer daran befestigten Kohlenstoff-Buckyball-Kugel, die als Nanobud bekannt ist, und Cup-Stacked-Nanotubes, bei denen es sich um eine Reihe von konkaven, scheibenförmigen Strukturen handelt, die in Röhrenform ausgerichtet sind. Torus- oder Donut-förmige Nanoröhrenstrukturen wurden ebenfalls hergestellt und weisen ein hohes magnetisches Moment auf, das sie als leistungsstarke Sensoren nützlich machen würde.
Die Struktur von Kohlenstoff-Nanoröhrchen bestimmt auch ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften, wobei Sessel-Nanoröhren hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit immer metallisch sind und Zick-Zack- und chirale Formen halbleitend sind. Die sechs Kohlenstoffbindungen, aus denen die hexagonale Grundstruktur einer Kohlenstoffnanoröhre besteht, sind in starken molekularen, kovalenten Bindungen um etwa 0.14 Nanometer voneinander beabstandet. Diese gewalzten Graphitplatten werden dann in mehrwandigen Nanoröhren, die im Wesentlichen Zylinder in Zylindern sind, durch schwache Van-der-Waals-Kräfte in einem Abstand von etwa 0.34 Nanometer zwischen Zylinderwänden miteinander verbunden. Diese schwache molekulare Bindung lässt die Graphitfolienstrukturen aneinander gleiten, was das Abreiben von Graphit bei Anwendungen wie etwa beim Drücken eines Bleistifts auf Papier erleichtert.
Andere Arten von Kohlenstoffnanoröhren umfassen extreme Kohlenstoffnanoröhren, die einfach Variationen des natürlichen Designs sind, bei denen sie sehr lang, kurz oder dünn sind. Sie finden Anwendung beim Bau von 20- bis 100-mal stärkeren Kabeln als Stahl für Dinge wie einen Weltraumaufzug und für künstliche Muskeln, die in einem Temperaturbereich von -321 ° bis 2,800° Fahrenheit (-196 ° bis 1,538 ° Celsius) arbeiten können ). Einige extreme Nanoröhrenfilme sind auch in der Lage, Infrarotwellenlängen von Licht einzufangen, die als Schwarzkörperstrahlung oder Wärmestrahlung bekannt sind. Dies würde sie in Solarzellen nützlich machen, die diese Wärme, die nachts von der Erde in den Weltraum abgegeben wird, einfangen könnten, was eine Energieerzeugung rund um die Uhr mit einem Wirkungsgrad von über 35 % ermöglichen würde, was zwei- bis fünfmal besser ist als das von herkömmlichen Solarzellen.