Secara struktural, ada dua tipe dasar karbon nanotube (CNTs) – nanotube berdinding tunggal (SWNT) dan nanotube multi-dinding (MWNT) – tetapi susunan kelompok atom karbon dalam struktur ini juga bervariasi. Karbon nanotube pada dasarnya adalah lembaran grafit yang digulung, yang dibangun di atas serangkaian ikatan atom enam karbon yang saling terkait, heksagonal. Ikatan ini dapat diatur dalam salah satu dari tiga konfigurasi: zig-zag, di mana mereka bergantian dalam pola linier sepanjang dinding tabung nano silinder; kursi berlengan, di mana strukturnya adalah kumpulan garis lurus ikatan; dan kiral, di mana ikatan melayang secara linier ke sudut kiri atau kanan sepanjang tabung.
Dalam kelas struktur dasar ini, nanotube karbon juga bervariasi dengan menjadi silinder lurus, atau terdistorsi dalam beberapa cara seperti melingkar atau bercabang. Bentuk tambahan yang telah dibuat termasuk nanotube dengan bola buckyball karbon yang melekat padanya, yang dikenal sebagai nanobud, dan nanotube bertumpuk cangkir, yang merupakan serangkaian cekung, struktur berbentuk cakram sejajar dalam bentuk tabung. Torus, atau berbentuk donat, struktur nanotube juga telah dibuat dan memiliki sifat momen magnetik tinggi yang akan membuatnya berguna sebagai sensor yang kuat.
Struktur nanotube karbon juga menentukan sifat fisik dan kimianya, di mana nanotube kursi selalu metalik dalam hal konduktivitas listrik, dan bentuk zig-zag dan kiral adalah semikonduktor. Enam ikatan karbon yang membentuk struktur heksagonal dasar tabung nano karbon berjarak sekitar 0.14 nanometer dari satu sama lain dalam ikatan kovalen molekul yang kuat. Lembaran grafit yang digulung ini kemudian diikat satu sama lain dalam nanotube berdinding banyak, yang pada dasarnya adalah silinder di dalam silinder, oleh gaya van der Waals yang lemah, pada jarak sekitar 0.34 nanometer antara dinding silinder. Ikatan molekul yang lemah ini memungkinkan struktur lembaran grafit tergelincir satu sama lain, yang membuatnya mudah untuk menggosok grafit dalam aplikasi seperti ketika pensil ditekan ke kertas.
Jenis lain dari karbon nanotube termasuk nanotube karbon ekstrim, yang hanya variasi pada desain alami di mana mereka sangat panjang, pendek, atau tipis. Mereka memiliki aplikasi dalam pembangunan kabel 20 hingga 100 kali lebih kuat dari baja untuk hal-hal seperti lift ruang angkasa, dan untuk otot buatan yang dapat beroperasi dalam kisaran suhu dari -321° hingga 2,800° Fahrenheit (-196° hingga 1,538° Celcius ). Beberapa film nanotube ekstrim juga mampu menangkap panjang gelombang cahaya inframerah yang dikenal sebagai radiasi benda hitam atau radiasi panas. Ini akan membuat mereka berguna dalam sel surya yang dapat menangkap panas yang dipancarkan oleh Bumi ke luar angkasa pada malam hari, yang akan memungkinkan pembangkitan energi sepanjang waktu pada tingkat efisiensi lebih dari 35%, yang dua hingga lima kali lebih baik daripada dari sel surya konvensional.