Rakenteellisesti on olemassa kaksi perustyyppistä hiilinanoputkea (CNT)-yksiseinäiset nanoletkut (SWNT) ja moniseinäiset nanoputket (MWNT)-mutta myös hiiliatomiryhmien järjestely näissä rakenteissa vaihtelee. Hiilinanoputket ovat pääasiassa käärittyjä grafiittilevyjä, jotka on rakennettu sarjaan lukittuja, kuusikulmaisia, kuuden hiiliatomin sidoksia. Nämä sidokset voidaan järjestää johonkin kolmesta kokoonpanosta: siksak, jossa ne vuorottelevat lineaarisena kuviona sylinterimäisen nanoputken seinän pituutta pitkin; nojatuoli, jossa rakenne on joukko suoria joukkovelkakirjoja; ja kiraalinen, jossa sidokset ajautuvat lineaarisesti vasempaan tai oikeaan kulmaan putken pituutta alaspäin.
Tässä perusrakenteiden luokassa hiilinanoputket vaihtelevat myös siten, että ne ovat suoria sylintereitä tai vääristyneet jollakin tavalla, kuten kierrettyjä tai haarautuneita. Muita luotuja muotoja ovat nanoputki, johon on kiinnitetty hiilipallopallo, joka tunnetaan nimellä nanobud, ja kupin pinotut nanoputket, jotka ovat sarja kovera, levyn muotoinen rakenne, joka on linjassa putkimuodossa. Torus tai donitsin muotoisia nanoputkirakenteita on myös tehty ja niillä on suuret magneettiset momenttiominaisuudet, jotka tekisivät ne hyödyllisiksi tehokkaina antureina.
Hiilinanoputkien rakenne määrittää myös niiden fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet, joissa nojatuolin nanoputket ovat aina metallisia sähkönjohtavuuden suhteen ja siksak- ja kiraalimuodot ovat puolijohteita. Kuusi hiilisidosta, jotka muodostavat hiilinanoputken kuusikulmaisen perusrakenteen, on sijoitettu noin 0.14 nanometrin etäisyydelle toisistaan vahvoissa molekyylisissä, kovalenttisissa sidoksissa. Nämä valssatut grafiittilevyt sidotaan sitten toisiinsa moniseinäisissä nanoputkissa, jotka ovat pohjimmiltaan sylintereitä sylintereissä, heikkojen van der Waalsin voimien avulla noin 0.34 nanometrin etäisyydellä sylinterin seinämien välillä. Tämän heikon molekyylisidoksen ansiosta grafiittilevyrakenteet voivat luistaa toisiaan vasten, mikä helpottaa grafiitin hankaamista sovelluksissa, kuten kynää painettaessa paperia vasten.
Muita hiilinanoputkien tyyppejä ovat äärimmäiset hiilinanoputket, jotka ovat yksinkertaisesti muunnelmia luonnollisesta suunnittelusta, jos ne ovat hyvin pitkiä, lyhyitä tai ohuita. Niitä käytetään kaapeleiden rakentamisessa, jotka ovat 20–100 kertaa vahvempia kuin teräs, esimerkiksi avaruushissiin ja keinotekoisiin lihaksiin, jotka voivat toimia -321–2,800 ° C: n lämpötilassa -196 ° -1,538 ° Fahrenheit ). Jotkut äärimmäiset nanoputkikalvot kykenevät myös sieppaamaan infrapuna -aallonpituuksia valoa, joka tunnetaan nimellä mustan kehon säteily tai lämpösäteily. Tämä tekisi niistä hyödyllisiä aurinkokennoissa, jotka voisivat kerätä maapallon yöllä lähettämän lämmön avaruuteen, mikä mahdollistaisi ympärivuorokautisen energiantuotannon yli 35%: n hyötysuhteella, mikä on kaksi tai viisi kertaa parempi kuin kuin perinteiset aurinkokennot.