Οι νανομηχανές είναι πολύ μικρές μηχανές, των οποίων οι διαστάσεις ή τα εξαρτήματα μετρώνται σε νανόμετρα. Μια νανομηχανή μπορεί να είναι μεγαλύτερη από 1,000 νανόμετρα, αλλά συνήθως όχι μεγαλύτερη από 10,000 νανόμετρα (10 μικρά). Ο σχεδιασμός και η κατασκευή νανομηχανών είναι ένας στόχος στον μεγάλο και καλά χρηματοδοτούμενο κλάδο της νανοτεχνολογίας, αν και πολλοί εργαζόμενοι στη νανοτεχνολογία ακολουθούν τον λιγότερο φιλόδοξο δρόμο του σχεδιασμού παθητικών υλικών νανοκλίμακας. Η νανομηχανή αναφέρεται σε ένα ενεργό, λειτουργικό σύστημα με εξαρτήματα νανοκλίμακας.
Το ανθρώπινο σώμα είναι γεμάτο με νανομηχανές, που αναμφισβήτητα αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του. Ένα κύτταρο μπορεί να θεωρηθεί νανομηχανή επειδή αποτελείται από στοιχεία νανοκλίμακας. Μια ακόμη πιο προφανής νανομηχανή θα ήταν τα ριβοσώματα, μοριακά εργοστάσια που συνθέτουν πρωτεΐνες. Τα ριβοσώματα έχουν διάμετρο περίπου 20 νανόμετρα. Άλλες βιολογικές νανομηχανές θα ήταν τα βακτήρια και οι ιοί.
Επί του παρόντος, οι νανομηχανές βρίσκονται ακόμη ουσιαστικά στη φάση έρευνας και ανάπτυξης, αν και οι ερευνητές είναι πολύ αισιόδοξοι για τις μακροπρόθεσμες δυνατότητές τους. Μία νανομηχανή, που ανακοινώθηκε τον Απρίλιο του 2008 από ερευνητές από το Nano Machine Center στο California NanoSystems Institute στο UCLA, μπορεί να απελευθερώνει αντικαρκινικά φάρμακα μέσα στο κύτταρο όταν ενεργοποιείται από το φως. Το μηχάνημα, που ονομάζεται nanoimpeller, αποτελείται από μεσοπορώδη νανοσωματίδια πυριτίου με τους πόρους του επικαλυμμένους με αζωβενζόλιο, μια χημική ουσία που μπορεί να εναλλάσσεται μεταξύ δύο διαφορετικών θέσεων ανάλογα με την έκθεση στο φως. Το εσωτερικό του νανοστροφείου ήταν γεμάτο με ένα αντικαρκινικό φάρμακο, στη συνέχεια εισήχθη σε ανθρώπινα καρκινικά κύτταρα σε καλλιέργεια, όπου παρακινήθηκαν με έκθεση στο φως για να απελευθερώσουν το ωφέλιμο φορτίο τους. Η μεταβολή της έντασης και του μήκους κύματος του φωτός έδωσε στους ερευνητές ακριβή έλεγχο της νανομηχανής τους.
Άλλες ενδιαφέρουσες νανομηχανές έχουν κατασκευαστεί από το εργαστήριο του Nadrian Seeman στο Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης. Χρησιμοποιώντας DNA, ο Δρ Seeman έχει δημιουργήσει συστοιχίες ενεργών πλέγματος που εναλλάσσονται μεταξύ των διαμορφώσεων, ακόμη και έναν «περιπατητή» DNA που μπορεί να κινηθεί προς τα εμπρός σε μοριακά «πόδια». Το εργαστήριο του Seeman έχει αποδείξει την ευελιξία του DNA ως δομικού υλικού για νανομηχανές.
Αν και οι νανομηχανές βρίσκονται μόλις στο στάδιο της έρευνας, ο μεγαλύτερος μακροπρόθεσμος αντίκτυπός τους θα μπορούσε να είναι στους τομείς της κατασκευής, της ιατρικής και του στρατού. Εάν οι νανομηχανές μπορούσαν να παρακινηθούν να αυτοαναπαραχθούν ή να κατασκευαστούν σε μεγάλες ποσότητες χρησιμοποιώντας αυτοσυναρμολόγηση και να προγραμματιστούν ώστε να συνεργάζονται για τη δημιουργία αντικειμένων, θα μπορούσαν να διαμορφωθούν σε ένα προσαρμοσμένο σύστημα κατασκευής με πολύ περισσότερες δυνατότητες από οτιδήποτε υπάρχει σήμερα. Μια τέτοια υποθετική επιτραπέζια συσκευή έχει ονομαστεί νανοεργοστάσιο.