碳纳米管的结构决定了它具有许多特殊的物理和化学性质。组成碳纳米管的C=C共价键是自然界稳定的化学键之一，所以使得碳纳米管具有非常优异的力学性能。理论计算表明，碳纳米管具有极高的强度和极大的韧性。其理论值估计杨氏模量可达5TPa，强度约为钢的100倍，而重量密度却只有钢的1/6。碳纳米管无论是强度还是韧性，都远远优于任何纤维，被认为是未来的“超级纤维”。
碳纳米管基本上分为两类
单壁碳纳米管(SWCNTs)和多壁碳纳米管(MWCNTs)。尽管有明显的共性，但由于结构上的差异，单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的物理性质存在显著差异。
区分单壁碳纳米管重要的特征是，管壁只有一层。换句话说，单壁碳纳米管可以被描述为单层石墨烯片卷起来形成的无缝空心圆柱筒。这就是为什么它们经常被称为单层石墨烯纳米管。
与单壁碳纳米管不同，多壁碳纳米管可被视为单壁碳纳米管的同心排列，即由多层石墨烯片无缝卷起成管状。
单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的这些差异，导致了它们在添加到材料中时，给材料的性能带来很大不同，并对材料产生了相应的影响。
例如，单壁碳纳米管的杨氏模量(有时被称为与材料在拉伸或压缩下承受长度变化的能力有关的弹性模量)，几乎比多壁碳纳米管高一个数量级。
多壁碳纳米管可以看成是不同管径的单壁碳纳米管套装而成，少则2层多则达十几层，层距约0.343nm，每层纳米管是由一个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键和后所构成的六边形平面组成的圆柱面，碳纳米管直径在几纳米到几十纳米之间，而长度可达数微米，具有较大的长径比。
多壁碳纳米管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。多壁碳纳米管的层间距约为0.34nm，外径在几个纳米到几百纳米，而已发现的*小内径为0.4nm。长度一般在微米量级，*长者可达数毫米。
多壁碳纳米管没有相关的报道指明可以杀灭细菌。多壁碳纳米管其电容量一般为102F/g。多壁碳纳米管和单壁碳纳米管一些差异性的概括，然而二者均具有优异的力学性能、导电性能、热学性能、储氢性能等。
