Obstaja veliko potencialnih aplikacij nanorobotov na širokem naboru področij in panog. Morda najpogosteje citirana in najbolj vznemirljiva možna uporaba je na področju biomedicine, kjer predstavljajo priložnosti za nove metode dostave zdravil, zdravljenje bolezni na molekularni ravni in za obnovo poškodovanega tkiva. Obstajajo tudi potencialne gradbene in inženirske uporabe nanorobotov, pri katerih jih je mogoče uporabiti za izdelavo drugih majhnih naprav in izvajanje majhnih popravil. Preučene so bile tudi morebitne vojaške uporabe teh robotov kot orožja, ki bi lahko bile katastrofalne.
Nanoroboti so roboti, zasnovani v neverjetno majhnem obsegu, zaradi česar so po velikosti podobni molekulam. Ena najpogostejših vrst uporabe teh robotov bi bila pri razvoju novih zdravljenj v medicini in drugih bioloških aplikacijah. Neverjetno majhna velikost teh robotov bi jim omogočila, da se namestijo v človekovo telo in uporabljajo zdravljenje na molekularni ravni.
Ena najbolj vznemirljivih možnih aplikacij za nanorobote je bolj natančen način dostave zdravil. Tablete je mogoče pogoltniti, ki vsebujejo molekularne robote, ki dovajajo zdravila neposredno na območje poškodbe ali bolezni. Drugi stroji bi se lahko uporabili za ciljanje škodljivih celic ali virusov v človekovem telesu in jih bodisi uničili ali kako drugače preprečili, da bi poškodovali osebo. Obstajajo celo možne aplikacije, v katerih bi lahko nanorobote uporabili za pomoč pri popravljanju ali popravljanju poškodovanega tkiva v človeškem telesu.
Nekateri znanstveniki so ugibali o možnostih, v katerih bi lahko nanorobote uporabili v gradbeništvu in inženiringu. Te drobne robote bi lahko uporabili za ustvarjanje bolj zapletenih majhnih naprav ali predmetov ali za izvajanje posebej občutljivih popravil na majhnih sistemih. Ena od možnih uporab bi lahko bila vključitev tovrstnih robotov v obleke bodočih astronavtov na misijah na drugih planetih, ki bi jih lahko v nujnih primerih uporabili za popravilo poškodb na astronavtovi obleki.
Obstajajo tudi nekatere manj koristne možnosti za uporabo nanorobotov, zlasti v vojaških in orožarskih aplikacijah. V teoriji bi bilo prav tako enostavno programirati nanorobota, da najde rakave celice v človekovem telesu in jih deaktivira, kot bi ga bilo programirati, da najde zdrave celice in jih aktivira. Nanorobote bi lahko uporabili kot orožje, ki se uporablja podobno kot biološko sredstvo, za uničenje ljudi ali predmetov na molekularni ravni. Zaradi majhne velikosti teh robotov bi jih bilo po takem napadu zelo težko odkriti.