Nanotubos são membros da familia estrutura do fulereno, que também inclui o esférico buckyballs, e as extremidades dos nanotubos podem ser cobertas com um hemisfério de estruturas de buckyball. Seu nome deriva do seu formato, uma estrutura oca com paredes formadas por um átomo de espessura da folha de carbono, chamados grafeno. Estas folhas são enroladas em momentos especificos com ângulos discretos quiral, e a combinação do ângulo de rolamento e raio decide a propriedade do nanotubo; por exemplo, se a folha de nanotubos individual é um metal ou semicondutor. Nanotubos são categorizados como Nanotubos de parede única do inglês (Single-Walled Nanotubes (SWNTs)), que são os Nanotubos de Carbono e os nanotubos de múltiplas paredes, do inglês (Multi-Walled Nanotubos (MWNTs)). Naturalmente, nanotubos individuais alinham-se em "fios", esse fenômeno explicado pelas Forças de Van der Waals.

A química quântica aplicada, especificamente, a hibridação do orbital descreve melhor a ligação química em nanotubos. A ligação química dos nanotubos é composta inteiramente de orbitais com hibridização sp², semelhante as ligações do grafite, tendo assim um orbital p livre para serem feitas ligações p. Essas ligações que são mais fortes do que as ligações s de hibridização sp³ que são encontradas em alcanos, provendo aos nanotubos uma resistência mecânica única.