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纳米碳管有许多奇特的性质产生许多与此相关应用。
纳米碳管的导电性质和其结构密切相关，有纳米碳管的结构参数不同可以是金属性的、半导体性的[1,2]。这个结果已经通过扫描隧道电子显微镜（STM）的观察证实[12,13]。电子能带结构比较特殊，波矢被限定于轴向，在小直径的纳米碳管中量子效应尤为明显，实验中已经发现SWNT是真正的量子导线。此同时，通过理论计算表明如果把一根具有金属性的SWNT和一根具有半导体性的SWNT联接，可以形成全碳的SWNT杂化结，它具有一定的半导体特性，可以用作纳米级热敏电阻和光激发或电压激发的电子开关，可能用于微电子器件，而解决当前以硅为基础的电子装置微型化过程的器件中发热限制。
纳米碳管具有特别的场发射性能，可以作为电子枪，具有尺寸小、发射电压低、发射密度大、稳定性高、不需要加热和高真空等优点，可以应用平板显示器中。
石墨烯平面中碳碳键是自然界中已知的最强的化学键之一，石墨中C11的弹性常数达1060GPa。纳米碳管的结构是比较完整的石墨烯网格，而且由于缺陷很少，SWNT的强度应该接近于碳碳键强度。理论计算表明SWNT的杨氏模量与其直径以及螺旋角无关，杨氏模量和剪切模量与金刚石相当，强度可以达到1.0TPa以上。其强度大约为钢的100倍，而密度却只有钢的1/6。 在一定的温度范围内，用透射电子显微镜（TEM）测量纳米碳管自由尖端热振动，得到它的振动频率来大致估计它们的杨氏模量[14,15]，结果纳米碳管的杨氏模量要大于1TPa，超过石墨基平面的值。同时，实验观察也表明SWNT具有一定柔韧性，这表明它们能够在大的应力下不发生脆性断裂。此外，SWNT具有直径小、长径比大的特点，因此可以作为超级纤维，用于高级复合材料的增强体或者形成轻质、高强的绳索，可能用于宇宙飞船及其它高技术领域。
同过对SWNT的吸氢过程研究发现[15]，氢可能以固体形式填充到SWNT的管体内部以及SWNT束之间的孔隙，因此SWNT具有极佳的储氢能力。推测SWNT的储氢量可达10％（重量比, 因此可以用作储氢材料。为了使氢能够使用，美国能源部(DOE)氢计划中制订可商业使用可以重复使用氢吸附标准6.5%(存储的氢的重量占整个系统的百分比)或者体积密度为63 kg H2/m3。氢分子吸附在纯SWNT[16]、MWNT[17,18]和碱金属掺杂SWNT[19]，极大的刺激了对纳米碳材料储氢性能的理论和实验研究，经济、安全氢存储介质是氢燃料交通系统关键部分。
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