碳纳米管的强度是钢的100倍，而密度只有钢的1/6,可以承受约100万个大气压的压力而不破裂,这一结果比类似的纤维高两个数量级。碳纳米管的韧性很好, 经过多次反复大幅度的弯曲后不会发生明显的断裂, 碳纤维在弯曲约1%时就会断裂, 而碳纳米管要到约18%才会断裂。碳纳米管的纳米尺度、高强度和高韧性特征,使其可以广泛应用于微米甚至纳米机械。DAI成功地制备出用于原子显微镜(AFM)的碳纳米管针尖, 这种针尖可以避免损害被观察的样件。碳纳米管增强复合材料具有较高强度,其机械冲击性能、热冲击性能都得到了改善,断裂韧性也有大幅度提高。例如,碳纳米管强化陶瓷材料,断裂韧度是常规氧化铝的5倍。在碳纳米管/高子复合材料方面,已经制备了PC/碳纳米管复合材料,改善了碳纳米管与PC的相容性,使其拉伸强度及冲击强度都得到了提高。

        由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNT的管径大于6nm时，导电性能下降；当管径小于6nm时，CNT可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。 作为锂离子电池导电剂，碳纳米管的导电性能优于传统的导电炭黑，较少的添加量就能达到较多的炭黑所表现出来的效果。

        碳纳米管具有非常大的长径比，因而大量热能是沿着长度方向传递的，通过合适的取向，这种管子可以合成高导热性能材料。虽然在管轴平行方向的热交换性能很高，但在其垂直方向的热交换性能较低。纳米管的横向尺寸比多数在室温至150℃电介质的晶格振动波长大一个量级，这使得弥散的纳米管在散布声子界面的形成中是有效的，同时降低了导热性能。适当排列碳纳米管可得到非常高的各向异性热传导材料。

        碳纳米管的独特结构使其具有不同于常规材料的光学性能。由于是纳米尺寸，可吸收一定波长的光，因此可应用于隐形材料等领域。