碳納米管是一種具有特殊結構的一維量子材料，具有單層或多層石墨片繞中心按一定角度捲曲而成的同軸中空無縫管狀結構。其結構特點如下：
碳納米管的徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，兩端通常被封口。
碳納米管的基本構成單元是呈六邊形排列的碳原子，這些六邊形格線沿軸向不同取向可以分成鋸齒形、扶手椅型和螺旋型三種。其中，螺旋型的碳納米管具有手性，而鋸齒形和扶手椅型碳納米管沒有手性。
單壁碳納米管由單層石墨烯片捲曲而成，而多壁碳納米管由多個同軸的單壁碳納米管組成。
在碳納米管中，碳原子以sp²軌道雜化為主，形成六角形格線結構。碳納米管的導電性質可以根據其結構分為金屬型和半導體型。
碳納米管的直徑一般在2到20納米之間，長度通常在微米量級。
此外，碳納米管根據是否含有管壁缺陷，可以分為完善碳納米管和含缺陷碳納米管。根據外形的均勻性和整體形態可分為直管型碳納米管、束Y型、蛇型等。