Strukturāli pastāv divi oglekļa nanocauruļu (CNT) pamata veidi – vienas sienas nanocaurules (SWNT) un daudzsienu nanocaurules (MWNT), taču arī oglekļa atomu grupu izvietojums šajās struktūrās atšķiras. Oglekļa nanocaurules būtībā ir sarullētas grafīta loksnes, kas veidotas uz virknes savstarpēji bloķētu sešstūrainu sešu oglekļa atomu saišu. Šīs saites var izkārtot vienā no trim konfigurācijām: zig-zag, kur tās mainās lineārā veidā visā cilindriskās nanocaurules sienas garumā; atzveltnes krēsls, kura struktūra ir taisnu saišu līniju kopums; un hirāls, kur saites lineāri virzās pa kreisi vai pa labi leņķī caurules garumā.
Šajā konstrukciju pamatklasē oglekļa nanocaurules arī atšķiras, jo tās ir taisni cilindri vai ir kaut kādā veidā izkropļotas, piemēram, saritinātas vai sazarotas. Papildu izveidotās formas ietver nanocauruli ar tai piestiprinātu oglekļa bumbiņu lodi, kas pazīstama kā nanobumbu, un krūzēs sakrautas nanocaurules, kas ir ieliektu, diska formas konstrukciju sērija, kas ir saskaņota caurules formā. Ir izgatavotas arī Torus jeb virtuļa formas nanocauruļu struktūras, kurām ir augstas magnētiskā momenta īpašības, kas padarītu tās noderīgas kā jaudīgus sensorus.
Oglekļa nanocauruļu struktūra nosaka arī to fizikālās un ķīmiskās īpašības, kur atzveltnes krēsla nanocaurules elektrovadītspējas ziņā vienmēr ir metāliskas, bet zig-zag un hirālās formas ir pusvadošas. Sešas oglekļa saites, kas veido oglekļa nanocaurules sešstūra pamatstruktūru, ir izvietotas aptuveni 0.14 nanometru attālumā viena no otras spēcīgās molekulārās, kovalentās saitēs. Šīs velmētās grafīta loksnes pēc tam tiek savienotas viena ar otru daudzsienu nanocaurulēs, kas būtībā ir cilindri cilindros, ar vājiem van der Vālsa spēkiem aptuveni 0.34 nanometru attālumā starp cilindru sienām. Šī vājā molekulārā saite ļauj grafīta lokšņu struktūrām slīdēt vienai pret otru, kas ļauj viegli noberzt grafītu, piemēram, kad zīmulis tiek nospiests pret papīru.
Citu veidu oglekļa nanocaurules ietver ekstrēmas oglekļa nanocaurules, kas ir vienkārši dabiskā dizaina varianti, kur tās ir ļoti garas, īsas vai plānas. Tos var izmantot 20 līdz 100 reižu stiprāku par tēraudu kabeļiem, piemēram, kosmosa liftam un mākslīgiem muskuļiem, kas var darboties temperatūras diapazonā no -321° līdz 2,800° Fārenheita (-196° līdz 1,538° pēc Celsija). ). Dažas ekstrēmas nanocauruļu plēves spēj arī uztvert gaismas infrasarkano viļņu garumu, kas pazīstams kā melnā ķermeņa starojums vai siltuma starojums. Tas padarītu tos noderīgus saules baterijās, kas naktī varētu uztvert šo Zemes izstaroto siltumu kosmosā, kas ļautu ražot enerģiju visu diennakti ar efektivitātes līmeni, kas pārsniedz 35%, kas ir divas līdz piecas reizes labāk nekā. parastajām saules baterijām.