Δομικά, υπάρχουν δύο βασικοί τύποι νανοσωλήνων άνθρακα (CNTs) — νανοσωλήνες μονού τοιχώματος (SWNT) και νανοσωλήνες πολλαπλών τοιχωμάτων (MWNT) — αλλά η διάταξη των ομάδων ατόμων άνθρακα σε αυτές τις δομές ποικίλλει επίσης. Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι ουσιαστικά τυλιγμένα φύλλα γραφίτη, τα οποία είναι χτισμένα πάνω σε μια σειρά αλληλοσυνδεόμενων, εξαγωνικών δεσμών έξι ατόμων άνθρακα. Αυτοί οι δεσμοί μπορούν να διευθετηθούν σε μία από τις τρεις διαμορφώσεις: ζιγκ-ζαγκ, όπου εναλλάσσονται σε γραμμικό σχέδιο κατά μήκος του κυλινδρικού τοιχώματος νανοσωλήνων. πολυθρόνα, όπου η δομή είναι μια συλλογή από ευθείες γραμμές δεσμών. και χειρόμορφο, όπου οι δεσμοί μετατοπίζονται με γραμμικό τρόπο σε αριστερή ή δεξιά γωνία προς τα κάτω κατά το μήκος του σωλήνα.
Μέσα σε αυτή τη θεμελιώδη κατηγορία δομών, οι νανοσωλήνες άνθρακα ποικίλλουν επίσης επειδή είναι ευθύγραμμοι κύλινδροι ή παραμορφωμένοι με κάποιο τρόπο, όπως περιελιγμένοι ή διακλαδισμένοι. Οι πρόσθετες μορφές που έχουν δημιουργηθεί περιλαμβάνουν τον νανοσωλήνα με μια σφαίρα άνθρακα buckyball συνδεδεμένη σε αυτόν, γνωστό ως νανομπουμπούκι, και νανοσωλήνες στοιβαγμένους σε κύπελλα, οι οποίοι είναι μια σειρά από κοίλες δομές σε σχήμα δίσκου ευθυγραμμισμένες σε μορφή σωλήνα. Κατασκευές νανοσωλήνων Torus ή σε σχήμα ντόνατς έχουν επίσης κατασκευαστεί και έχουν ιδιότητες υψηλής μαγνητικής ροπής που θα τις καθιστούσαν χρήσιμες ως ισχυρούς αισθητήρες.
Η δομή των νανοσωλήνων άνθρακα καθορίζει επίσης τις φυσικές και χημικές τους ιδιότητες, όπου οι νανοσωλήνες πολυθρόνας είναι πάντα μεταλλικοί όσον αφορά την ηλεκτρική αγωγιμότητα και οι ζιγκ-ζαγκ και οι χειρόμορφες μορφές είναι ημιαγώγιμες. Οι έξι δεσμοί άνθρακα που συνθέτουν τη βασική εξαγωνική δομή ενός νανοσωλήνα άνθρακα απέχουν περίπου 0.14 νανόμετρα μεταξύ τους σε ισχυρούς μοριακούς, ομοιοπολικούς δεσμούς. Αυτά τα ελασμένα φύλλα γραφίτη στη συνέχεια συνδέονται μεταξύ τους σε νανοσωλήνες πολλαπλών τοιχωμάτων, οι οποίοι είναι ουσιαστικά κύλινδροι εντός κυλίνδρων, με ασθενείς δυνάμεις van der Waals, σε απόσταση περίπου 0.34 νανόμετρων μεταξύ των τοιχωμάτων των κυλίνδρων. Αυτός ο ασθενής μοριακός δεσμός επιτρέπει στις δομές του φύλλου γραφίτη να γλιστρούν μεταξύ τους, γεγονός που καθιστά εύκολο το τρίψιμο του γραφίτη σε εφαρμογές όπως όταν ένα μολύβι πιέζεται πάνω στο χαρτί.
Άλλοι τύποι νανοσωλήνων άνθρακα περιλαμβάνουν ακραίους νανοσωλήνες άνθρακα, οι οποίοι είναι απλώς παραλλαγές του φυσικού σχεδιασμού όπου είναι πολύ μακρύι, κοντοί ή λεπτοί. Έχουν εφαρμογές στην κατασκευή καλωδίου 20 έως 100 φορές ισχυρότερο από το χάλυβα για πράγματα όπως ο διαστημικός ανελκυστήρας και για τεχνητούς μύες που μπορούν να λειτουργήσουν σε ένα εύρος θερμοκρασίας από -321° έως 2,800° Fahrenheit (-196° έως 1,538° Κελσίου ). Ορισμένες ακραίες μεμβράνες νανοσωλήνων είναι επίσης ικανές να συλλαμβάνουν υπέρυθρα μήκη κύματος φωτός, γνωστά ως ακτινοβολία μαύρου σώματος ή ακτινοβολία θερμότητας. Αυτό θα τα καθιστούσε χρήσιμα σε ηλιακά κύτταρα που θα μπορούσαν να συλλάβουν αυτή τη θερμότητα που εκπέμπεται από τη Γη στο διάστημα τη νύχτα, κάτι που θα επέτρεπε την παραγωγή ενέργειας όλο το εικοσιτετράωρο σε επίπεδο απόδοσης άνω του 35%, που είναι δύο έως πέντε φορές καλύτερο από αυτή των συμβατικών ηλιακών κυψελών.