Nanorobotteja on monia mahdollisia sovelluksia monilla aloilla ja teollisuudenaloilla. Ehkä yleisimmin mainittu ja jännittävin mahdollinen käyttö on biolääketieteen alalla, jossa ne tarjoavat mahdollisuuksia uusille lääkkeiden annostelumenetelmille, sairauksien hoidolle molekyylitasolla ja vaurioituneen kudoksen uudelleenrakentamiseen. Nanorobotteja on myös mahdollista käyttää rakentamisessa ja suunnittelussa, joissa niitä voidaan käyttää muiden pienten laitteiden rakentamiseen ja pieniin korjauksiin. Näiden robottien mahdollisia sotilaallisia käyttöjä aseina on myös harkittu ja ne voivat olla katastrofaalisia.
Nanorobotit ovat uskomattoman pienessä mittakaavassa suunniteltuja robotteja, joten ne ovat kooltaan samanlaisia kuin molekyylit. Yksi näiden robottien yleisimmistä käyttötavoista olisi uusien hoitojen kehittäminen lääketieteessä ja muissa biologisissa sovelluksissa. Näiden robottien uskomattoman pieni koko sallii niiden sijoittamisen ihmisen kehoon ja hoitoja molekyylitasolla.
Yksi jännittävimmistä mahdollisista nanorobottien sovelluksista on lääkkeiden toimittaminen tarkemmin. Pillereitä voidaan niellä, ja ne sisältävät molekyylirobotteja, jotka toimittavat lääkkeitä suoraan vamman tai sairauden alueelle. Muita koneita voitaisiin käyttää kohdistamaan haitallisia soluja tai viruksia ihmisen kehossa ja joko tuhoamaan ne tai muuten estämään niitä vahingoittamasta henkilöä. On jopa mahdollisia sovelluksia, joissa nanorobotteja voitaisiin käyttää parantamaan tai korjaamaan vaurioitunutta kudosta ihmisen kehossa.
Jotkut tutkijat ovat spekuloineet mahdollisuuksia, joissa nanorobotteja voitaisiin käyttää rakentamisessa ja suunnittelussa. Näitä pieniä robotteja voitaisiin käyttää monimutkaisempien pienlaitteiden tai esineiden luomiseen tai erityisen herkkien korjausten suorittamiseen pienissä järjestelmissä. Yksi mahdollinen käyttö voisi olla tällaisten robottien sisällyttäminen muiden planeettojen tehtävissä olevien tulevien astronautien pukuihin, jotka voitaisiin käyttää hätätilanteessa korjaamaan astronautin puvun vauriot.
On myös joitakin vähemmän hyödyllisiä mahdollisuuksia käyttää nanorobotteja erityisesti armeija- ja asesovelluksissa. Teoriassa olisi yhtä helppoa ohjelmoida nanorobotti syöpäsolujen löytämiseksi ihmisen kehosta ja deaktivoida ne kuin ohjelmoida se etsimään terveitä soluja ja aktivoimaan ne. Nanorobotteja voitaisiin mahdollisesti käyttää aseena, kuten biologista ainetta, ihmisten tai esineiden tuhoamiseen molekyylitasolla. Näiden robottien pieni koko tekisi ne myös erittäin vaikeaksi havaita tällaisen hyökkäyksen jälkeen.