Υπάρχουν πολλές πιθανές εφαρμογές των νανορομπότ σε ένα ευρύ φάσμα τομέων και βιομηχανιών. Ίσως οι πιο συχνά αναφερόμενες και πιο συναρπαστικές πιθανές χρήσεις είναι στον βιοϊατρικό τομέα, όπου παρουσιάζουν ευκαιρίες για νέες μεθόδους χορήγησης φαρμάκων, θεραπεία ασθενειών σε μοριακό επίπεδο και για αναδόμηση κατεστραμμένου ιστού. Υπάρχουν επίσης πιθανές κατασκευαστικές και μηχανικές χρήσεις νανορομπότ, στις οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή άλλων μικρών συσκευών και την εκτέλεση μικροσκοπικών επισκευών. Οι πιθανές στρατιωτικές χρήσεις αυτών των ρομπότ ως όπλων έχουν επίσης εξεταστεί και θα μπορούσαν να είναι καταστροφικές.
Τα νανορομπότ είναι ρομπότ σχεδιασμένα σε απίστευτα μικρή κλίμακα, που τα κάνει παρόμοια σε μέγεθος με τα μόρια. Ένας από τους πιο συνηθισμένους τύπους χρήσεων αυτών των ρομπότ θα ήταν η ανάπτυξη νέων θεραπειών στην ιατρική και άλλες βιολογικές εφαρμογές. Το απίστευτα μικρό μέγεθος αυτών των ρομπότ θα τους επέτρεπε να αναπτυχθούν μέσα στο σώμα ενός ατόμου και να εφαρμόσουν θεραπείες σε μοριακό επίπεδο.
Μία από τις πιο συναρπαστικές πιθανές εφαρμογές για νανορομπότ είναι η παροχή φαρμάκων με πιο ακριβή τρόπο. Θα μπορούσαν να καταποθούν χάπια που περιέχουν μοριακά ρομπότ που παρέχουν φάρμακα απευθείας στην περιοχή τραυματισμού ή ασθένειας. Άλλα μηχανήματα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να στοχεύσουν επιβλαβή κύτταρα ή ιούς στο σώμα ενός ατόμου και είτε να τα καταστρέψουν είτε με άλλο τρόπο να τα καταστήσουν ανίκανα να βλάψουν ένα άτομο. Υπάρχουν ακόμη και πιθανές εφαρμογές στις οποίες τα νανορομπότ θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να βοηθήσουν στην αποκατάσταση ή την επιδιόρθωση κατεστραμμένου ιστού στο σώμα ενός ατόμου.
Μερικοί επιστήμονες έχουν εικάσει ευκαιρίες στις οποίες τα νανορομπότ θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή και τη μηχανική. Αυτά τα μικροσκοπικά ρομπότ θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία πιο σύνθετων μικροσκοπικών συσκευών ή αντικειμένων ή για την εκτέλεση ιδιαίτερα λεπτών επισκευών σε μικρά συστήματα. Μια πιθανή χρήση θα μπορούσε να είναι η συμπερίληψη αυτών των ειδών ρομπότ στις στολές μελλοντικών αστροναυτών σε αποστολές σε άλλους πλανήτες, τα οποία θα μπορούσαν να αναπτυχθούν σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης για την επιδιόρθωση ζημιών στη στολή του αστροναύτη.
Υπάρχουν επίσης κάποιες λιγότερο ευεργετικές δυνατότητες για τη χρήση νανορομπότ, ειδικά σε στρατιωτικές και οπλικές εφαρμογές. Θεωρητικά, θα ήταν εξίσου εύκολο να προγραμματιστεί ένα νανορομπότ για να βρει καρκινικά κύτταρα μέσα στο σώμα ενός ατόμου και να τα απενεργοποιήσει, όπως θα ήταν να το προγραμματίσει να βρει υγιή κύτταρα και να τα ενεργοποιήσει. Τα νανορομπότ θα μπορούσαν ενδεχομένως να χρησιμοποιηθούν ως όπλο, που αναπτύσσονται σαν βιολογικοί παράγοντες, για να καταστρέφουν ανθρώπους ή αντικείμενα σε μοριακό επίπεδο. Το μικροσκοπικό μέγεθος αυτών των ρομπότ θα έκανε επίσης εξαιρετικά δύσκολο τον εντοπισμό τους μετά από μια τέτοια επίθεση.