碳納米管的獨特結構決定了它具有許多特殊的物理和化學性質。組成碳納米管的C=C共價鍵是自然界穩定的化學鍵之一，所以使得碳納米管具有非常優異的力學性能。理論計算表明，碳納米管具有極高的強度和極大的韌性。其理論值估計楊氏模量可達5TPa，強度約為鋼的100倍，而重量密度卻只有鋼的1/6。碳納米管無論是強度還是韌性，都遠遠優于任何纖維，被認為是未來的“超級纖維”。

碳納米管基本上分為兩類

      單壁碳納米管(SWCNTs)和多壁碳納米管(MWCNTs)。盡管有明顯的共性，但由于結構上的差異，單壁碳納米管和多壁碳納米管的物理性質存在顯著差異。

      區分單壁碳納米管重要的特征是，管壁只有一層。換句話說，單壁碳納米管可以被描述為單層石墨烯片卷起來形成的無縫空心圓柱筒。這就是為什么它們經常被稱為單層石墨烯納米管。

      與單壁碳納米管不同，多壁碳納米管可被視為單壁碳納米管的同心排列，即由多層石墨烯片無縫卷起成管狀。

      單壁碳納米管和多壁碳納米管的這些差異，導致了它們在添加到材料中時，給材料的性能帶來很大不同，并對材料產生了相應的影響。

      例如，單壁碳納米管的楊氏模量(有時被稱為與材料在拉伸或壓縮下承受長度變化的能力有關的彈性模量)，幾乎比多壁碳納米管高一個數量級。

      多壁碳納米管可以看成是不同管徑的單壁碳納米管套裝而成，少則2層多則達十幾層，層距約0.343nm，每層納米管是由一個碳原子通過sp2雜化與周圍3個碳原子完全鍵和后所構成的六邊形平面組成的圓柱面，碳納米管直徑在幾納米到幾十納米之間，而長度可達數微米，具有較大的長徑比。

      多壁碳納米管在開始形成的時候，層與層之間很容易成為陷阱中心而捕獲各種缺陷，因而多壁管的管壁上通常布滿小洞樣的缺陷。多壁碳納米管的層間距約為0.34nm，外徑在幾個納米到幾百納米，而已發現的*小內徑為0.4nm。長度一般在微米量級，*長者可達數毫米。

      多壁碳納米管沒有相關的報道指明可以殺滅細菌。多壁碳納米管其電容量一般為102F/g。多壁碳納米管和單壁碳納米管一些差異性的概括，然而二者均具有優異的力學性能、導電性能、熱學性能、儲氫性能等。