Ir daudz potenciālu nanorobotu pielietojumu dažādās jomās un nozarēs. Iespējams, visbiežāk minētie un aizraujošākie iespējamie lietojumi ir biomedicīnas jomā, kur tie piedāvā jaunas zāļu piegādes metodes, slimību ārstēšanu molekulārā līmenī un bojātu audu atjaunošanu. Ir arī potenciāli nanorobotu izmantošanas veidi būvniecībā un inženierzinātnēs, kuros tos var izmantot, lai izveidotu citas nelielas ierīces un veiktu nelielus remontdarbus. Ir apsvērta arī šo robotu kā ieroču iespējamā militārā izmantošana, kas varētu būt katastrofāla.
Nanoroboti ir roboti, kas izstrādāti neticami mazā mērogā, padarot tos pēc izmēra līdzīgus molekulām. Viens no visizplatītākajiem šo robotu izmantošanas veidiem būtu jaunu ārstēšanas metožu izstrāde medicīnā un citos bioloģiskos lietojumos. Šo robotu neticami mazais izmērs ļautu tos izvietot cilvēka ķermenī un piemērot ārstēšanu molekulārā līmenī.
Viens no aizraujošākajiem iespējamajiem nanorobotu pielietojumiem ir medikamentu piegāde precīzākā veidā. Var norīt tabletes, kas satur molekulārus robotus, kas piegādā medikamentus tieši traumas vai slimības zonā. Citas iekārtas varētu izmantot, lai mērķētu pret kaitīgām šūnām vai vīrusiem cilvēka ķermenī un vai nu tos iznīcinātu, vai citādi padarītu tos spējīgus sabojāt cilvēku. Ir pat iespējami pielietojumi, kuros nanorobotus varētu izmantot, lai palīdzētu salabot vai labot bojātos audus cilvēka ķermenī.
Daži zinātnieki ir minējuši iespējas, kā nanorobotus varētu izmantot celtniecībā un inženierzinātnēs. Šos mazos robotus varētu izmantot, lai izveidotu sarežģītākas nelielas ierīces vai objektus vai veiktu īpaši delikātus remontdarbus nelielās sistēmās. Viens no iespējamiem izmantošanas veidiem varētu būt šāda veida robotu iekļaušana topošo astronautu kostīmos misijās uz citām planētām, ko varētu izmantot ārkārtas gadījumā, lai labotu astronauta tērpa bojājumus.
Ir arī dažas mazāk izdevīgas iespējas nanorobotu izmantošanai, īpaši militāros un ieroču lietojumos. Teorētiski būtu tikpat viegli ieprogrammēt nanorobotu, lai tas cilvēka ķermenī atrastu vēža šūnas un tās deaktivizētu, kā to būtu ieprogrammēt, lai atrastu veselas šūnas un tās aktivizētu. Nanorobotus varētu izmantot kā ieroci, līdzīgi kā bioloģisko aģentu, lai iznīcinātu cilvēkus vai objektus molekulārā līmenī. Šo robotu nelielais izmērs arī padarītu tos ļoti grūti atklāt pēc šāda uzbrukuma.