Strukturno, postoje dvije osnovne vrste ugljikovih nanocijevi (CNT) — nanocijevi s jednom stijenkom (SWNT) i nanocijevi s više stijenki (MWNT) — ali raspored skupina atoma ugljika u tim strukturama također varira. Ugljične nanocijevi su u biti smotani listovi grafita, koji su izgrađeni na nizu isprepletenih, heksagonalnih veza od šest atoma ugljika. Te se veze mogu rasporediti u jednu od tri konfiguracije: cik-cak, gdje se izmjenjuju u linearnom uzorku niz duljinu stijenke cilindrične nanocijevi; fotelja, gdje je struktura skup ravnih linija veza; i kiralni, gdje se veze pomiču na linearni način pod lijevom ili desnom kutom niz duljinu cijevi.
Unutar ove temeljne klase struktura, ugljikove nanocijevi također variraju po tome što su ravni cilindri ili su na neki način izobličeni kao što su zavoji ili razgranati. Dodatni oblici koji su stvoreni uključuju nanocijev s ugljikovom buckyball sferom pričvršćenom na nju, poznatu kao nanopupoljak, i nanocijevi složene u čaše, koje su niz konkavnih struktura u obliku diska poravnatih u obliku cijevi. Torus, ili u obliku krafne, nanocijevi strukture su također napravljene i imaju visoka svojstva magnetskog momenta što bi ih činilo korisnim kao moćni senzori.
Struktura ugljikovih nanocijevi također određuje njihova fizikalna i kemijska svojstva, pri čemu su nanocijevi iz fotelja uvijek metalne u smislu električne vodljivosti, a cik-cak i kiralni oblici su poluvodiči. Šest ugljikovih veza koje čine osnovnu heksagonalnu strukturu ugljikove nanocijevi razmaknute su jedna od druge oko 0.14 nanometara u jakim molekularnim, kovalentnim vezama. Ovi valjani listovi grafita se zatim međusobno vežu u nanocijevi s više stijenki, koje su u biti cilindri unutar cilindara, pomoću slabih van der Waalsovih sila, na udaljenosti od oko 0.34 nanometara između stijenki cilindra. Ova slaba molekularna veza omogućuje da grafitne ploče klize jedna o drugu, što olakšava brisanje grafita u aplikacijama kao što je kada se olovka pritisne na papir.
Druge vrste ugljikovih nanocijevi uključuju ekstremne ugljične nanocijevi, koje su jednostavno varijacije prirodnog dizajna gdje su vrlo dugačke, kratke ili tanke. Imaju primjenu u izgradnji kabela 20 do 100 puta jačih od čelika za stvari kao što je svemirsko dizalo i za umjetne mišiće koji mogu raditi u temperaturnom rasponu od -321° do 2,800° Fahrenheita (-196° do 1,538° Celzijusa ). Neki ekstremni filmovi nanocijevi također su sposobni uhvatiti infracrvene valne duljine svjetlosti poznate kao zračenje crnog tijela ili toplinsko zračenje. To bi ih učinilo korisnim u solarnim ćelijama koje bi mogle uhvatiti ovu toplinu koju Zemlja emitira u svemir noću, što bi omogućilo 35-satna proizvodnja energije na razini učinkovitosti od preko XNUMX%, što je dva do pet puta bolje od ono kod konvencionalnih solarnih ćelija.