Postoje mnoge potencijalne primjene nanorobota u širokom spektru polja i industrija. Možda najčešće citirana i najuzbudljivija moguća upotreba je u biomedicinskom području, gdje predstavljaju mogućnosti za nove metode isporuke lijekova, liječenje bolesti na molekularnoj razini i za obnovu oštećenog tkiva. Postoje i potencijalne konstruktivne i inženjerske upotrebe nanorobota, u kojima se oni mogu koristiti za izradu drugih malih uređaja i obavljanje minijaturnih popravaka. Moguće vojne upotrebe ovih robota kao oružja također su razmatrane i mogle bi biti katastrofalne.
Nanoroboti su roboti dizajnirani u nevjerojatno maloj skali, što ih čini sličnim veličinom molekulama. Jedna od najčešćih vrsta korištenja ovih robota bila bi u razvoju novih tretmana u medicini i drugim biološkim primjenama. Nevjerojatno mala veličina ovih robota omogućila bi im da se rasporede unutar tijela osobe i primjenjuju tretmane na molekularnoj razini.
Jedna od najuzbudljivijih mogućih primjena za nanorobote je isporuka lijekova na precizniji način. Pilule se mogu progutati koje sadrže molekularne robote koji isporučuju lijekove izravno na područje ozljede ili bolesti. Drugi strojevi mogu se koristiti za ciljanje štetnih stanica ili virusa u tijelu osobe i ili ih uništiti ili na neki drugi način učiniti ih nesposobnima oštetiti osobu. Postoje čak i moguće primjene u kojima bi se nanoroboti mogli koristiti da pomognu popraviti ili popraviti oštećeno tkivo unutar tijela osobe.
Neki znanstvenici su nagađali mogućnosti u kojima bi se nanoroboti mogli koristiti u građevinarstvu i inženjerstvu. Ovi sićušni roboti mogli bi se koristiti za stvaranje složenijih minijaturnih uređaja ili objekata ili za izvođenje posebno osjetljivih popravaka na malim sustavima. Jedna od mogućih upotreba mogla bi biti uključivanje ovih vrsta robota u odijela budućih astronauta na misijama na drugim planetima, koji bi se mogli koristiti u slučaju nužde kako bi se popravila oštećenja na odijelu astronauta.
Postoje i neke manje korisne mogućnosti za korištenje nanorobota, posebno u vojnim i oružanim primjenama. U teoriji, bilo bi jednako lako programirati nanorobota da pronađe kancerogene stanice unutar tijela osobe i deaktivira ih kao što bi ga bilo programirati da pronađe zdrave stanice i aktivira ih. Nanoroboti bi se potencijalno mogli koristiti kao oružje, raspoređeno slično kao biološki agens, za uništavanje ljudi ili objekata na molekularnoj razini. Minimalna veličina ovih robota također bi ih učinila iznimno teškim za otkrivanje nakon takvog napada.