โครงสร้างท่อนาโนคาร์บอนพื้นฐานสองประเภท (CNTs) มีอยู่ - ท่อนาโนผนังเดี่ยว (SWNT) และท่อนาโนหลายผนัง (MWNT) - แต่การจัดเรียงของกลุ่มอะตอมคาร์บอนในโครงสร้างเหล่านี้ก็แตกต่างกันเช่นกัน ท่อนาโนคาร์บอนเป็นแผ่นกราไฟท์ที่ผ่านการรีดขึ้นรูปซึ่งสร้างขึ้นจากการเชื่อมประสานกันของอะตอมอะตอมหกเหลี่ยมหกเหลี่ยมและหกอะตอม พันธบัตรเหล่านี้สามารถจัดเรียงในหนึ่งในสามของการกำหนดค่า: ซิกแซกที่พวกเขาสลับกันในรูปแบบเชิงเส้นตามความยาวของผนังท่อนาโนทรงกระบอก; เก้าอี้ที่มีโครงสร้างเป็นชุดของเส้นตรงพันธบัตร; และ chiral ซึ่งการเคลื่อนที่ของเส้นตรงจะเป็นมุมซ้ายหรือขวาตามความยาวของท่อ
ภายในโครงสร้างพื้นฐานระดับนี้ท่อนาโนคาร์บอนก็แตกต่างกันไปตามทรงกระบอกตรงหรือบิดเบี้ยวในบางลักษณะเช่นขดหรือแตกแขนง รูปแบบเพิ่มเติมที่ถูกสร้างขึ้นรวมถึงท่อนาโนคาร์บอนที่มีทรงกลมบัคกี้บอลติดอยู่หรือที่รู้จักกันในชื่อ nanobud และท่อนาโนแบบซ้อนซ้อนกันซึ่งเป็นชุดของโครงสร้างทรงเว้าแบบแผ่นดิสก์ที่อยู่ในรูปแบบท่อ โครงสร้างท่อนาโนของ Torus หรือรูปโดนัทได้ถูกสร้างขึ้นและมีคุณสมบัติโมเมนต์แม่เหล็กสูงที่จะทำให้พวกมันมีประโยชน์ในฐานะเซ็นเซอร์ที่ทรงพลัง
โครงสร้างของท่อนาโนคาร์บอนยังกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของพวกมันด้วยซึ่งท่อนาโนคาร์บอนของอาร์มแชร์นั้นมักจะเป็นโลหะในแง่ของการนำไฟฟ้าและรูปแบบซิกแซกและ chiral ก็เป็นสารกึ่งตัวนำ พันธะคาร์บอนทั้งหกที่ประกอบกันเป็นโครงสร้างหกเหลี่ยมพื้นฐานของท่อนาโนคาร์บอนนั้นมีระยะห่างประมาณ 0.14 นาโนเมตรจากกันในพันธะโมเลกุลและโควาเลนต์ที่แข็งแกร่ง แผ่นกราไฟต์รีดเหล่านี้จะถูกผูกติดกับแต่ละอื่น ๆ ในท่อนาโนแบบหลายผนังซึ่งเป็นทรงกระบอกภายในกระบอกสูบโดยกองกำลัง van der der Waals ที่อ่อนแอในระยะทางประมาณ 0.34 นาโนเมตรระหว่างผนังกระบอกสูบ พันธะโมเลกุลที่อ่อนแอนี้ช่วยให้โครงสร้างแผ่นกราไฟท์ลื่นต่อกันซึ่งทำให้ง่ายต่อการถูกราไฟท์ในการใช้งานเช่นเมื่อกดดินสอกับกระดาษ
ท่อนาโนคาร์บอนประเภทอื่น ๆ รวมถึงท่อนาโนคาร์บอนที่รุนแรงซึ่งเป็นรูปแบบที่เรียบง่ายในการออกแบบตามธรรมชาติที่มีความยาวสั้นหรือบางมาก พวกเขามีการใช้งานในการสร้างสายเคเบิลที่แข็งแรงกว่าเหล็ก 20 ถึง 100 เท่าสำหรับลิฟต์อวกาศและสำหรับกล้ามเนื้อเทียมซึ่งสามารถทำงานได้ในช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ -321 ถึง 2,800 °ฟาเรนไฮต์ (-196 ถึง 1,538 องศาเซลเซียส) ) ฟิล์มนาโนทิวบ์ที่บางสุดขีดยังสามารถจับแสงอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นแสงที่รู้จักกันในชื่อการแผ่รังสีดำหรือการแผ่รังสีความร้อน สิ่งนี้จะทำให้พวกมันมีประโยชน์ในเซลล์แสงอาทิตย์ที่สามารถจับความร้อนที่ปล่อยออกมาจากโลกสู่อวกาศในเวลากลางคืนซึ่งจะช่วยให้เกิดการสร้างพลังงานรอบนาฬิกาในระดับประสิทธิภาพมากกว่า 35% ซึ่งดีกว่าสองถึงห้าเท่า เซลล์สุริยะแบบดั้งเดิม
