Jedinečná štruktúra uhlíkových nanorúrok určuje, že má mnoho špeciálnych fyzikálnych a chemických vlastností.Kovalentné väzby C = C, ktoré tvoria uhlíkové nanorúrky, sú najstabilnejšie chemické väzby v prírode, takže uhlíkové nanorúrky majú veľmi vynikajúce mechanické vlastnosti.Teoretické výpočty ukazujú, že uhlíkové nanorúrky majú extrémne vysokú pevnosť a veľkú húževnatosť.Teoretická hodnota odhaduje, že Youngov modul môže dosiahnuť 5TPa.

Vďaka vynikajúcej vodivosti uhlíkových nanorúriek je vhodný pre antistatické nátery, vodivé polyméry, gumy a vodivé plastové predzmesy.Pevnosť v ťahu uhlíkových nanorúrok v axiálnom smere je 100-krát väčšia ako pevnosť ocele, pričom hmotnosť je iba 1/hmotnosť ocele.6. Môže sa použiť v polymérnej matrici na vytvorenie vystužených kompozitných materiálov atď.

Jedinečnú nano dutú štruktúru uhlíkových nanorúrok, ktorá má vhodnú distribúciu veľkosti pórov, jedinečnú a stabilnú štruktúru a morfológiu, najmä povrchové vlastnosti, je možné rôznymi metódami upravovať podľa potrieb ľudí, vďaka čomu je vhodná ako nový nosič katalyzátora.