Ada banyak aplikasi potensial nanorobot dalam beragam bidang dan industri. Mungkin penggunaan yang paling sering dikutip dan kemungkinan paling menarik adalah di bidang biomedis, di mana mereka menghadirkan peluang untuk metode baru pemberian obat, pengobatan penyakit pada tingkat molekuler, dan untuk membangun kembali jaringan yang rusak. Ada juga potensi penggunaan konstruksi dan rekayasa robot nano, di mana mereka dapat digunakan untuk membangun perangkat kecil lainnya dan melakukan perbaikan sangat kecil. Potensi penggunaan militer dari robot ini sebagai senjata juga telah dipertimbangkan dan bisa menjadi bencana besar.
Nanorobot adalah robot yang dirancang dalam skala yang sangat kecil, membuatnya serupa ukurannya dengan molekul. Salah satu jenis penggunaan paling umum untuk robot ini adalah dalam pengembangan pengobatan baru dalam kedokteran dan aplikasi biologis lainnya. Ukuran yang sangat kecil dari robot ini akan memungkinkan mereka untuk ditempatkan di dalam tubuh seseorang dan menerapkan perawatan pada tingkat molekuler.
Salah satu kemungkinan aplikasi yang paling menarik untuk nanorobot adalah dalam pengiriman obat dengan cara yang lebih tepat. Pil dapat ditelan yang mengandung robot molekuler yang mengantarkan obat langsung ke area cedera atau penyakit. Mesin lain dapat digunakan untuk menargetkan sel atau virus berbahaya dalam tubuh seseorang dan menghancurkannya atau membuatnya tidak dapat merusak seseorang. Bahkan ada kemungkinan aplikasi di mana robot nano dapat digunakan untuk membantu memperbaiki atau memperbaiki jaringan yang rusak di dalam tubuh seseorang.
Beberapa ilmuwan telah berspekulasi peluang di mana nanorobots dapat digunakan dalam konstruksi dan rekayasa. Robot kecil ini dapat digunakan untuk membuat perangkat atau objek sangat kecil yang lebih kompleks, atau untuk melakukan perbaikan yang sangat rumit pada sistem kecil. Salah satu kemungkinan penggunaan adalah dimasukkannya jenis robot ini dalam pakaian astronot masa depan dalam misi di planet lain, yang dapat digunakan dalam keadaan darurat untuk memperbaiki kerusakan pada pakaian astronot.
Ada juga beberapa kemungkinan yang kurang menguntungkan untuk penggunaan nanorobot, terutama dalam aplikasi militer dan senjata. Secara teori, memprogram robot nano untuk menemukan sel kanker dalam tubuh seseorang dan menonaktifkannya sama mudahnya dengan memprogramnya untuk menemukan sel sehat dan mengaktifkannya. Nanorobot berpotensi digunakan sebagai senjata, digunakan seperti agen biologis, untuk menghancurkan orang atau objek pada tingkat molekuler. Ukuran robot yang sangat kecil juga akan membuat mereka sangat sulit dideteksi setelah serangan semacam itu.