Strukturno obstajata dve osnovni vrsti ogljikovih nanocevk (CNT) – enostenske nanocevke (SWNT) in večstenske nanocevke (MWNT) – vendar se tudi razporeditev skupin ogljikovih atomov v teh strukturah razlikuje. Ogljikove nanocevke so v bistvu zvite plošče grafita, ki so zgrajene na seriji medsebojno povezanih šesterokotnih vezi s šestimi atomi ogljika. Te vezi je mogoče razporediti v eni od treh konfiguracij: cik-cak, kjer se izmenjujejo v linearnem vzorcu po dolžini valjaste stene nanocevke; fotelj, kjer je struktura skupek ravnih linij vezi; in kiralno, kjer se vezi linearno premikajo v levi ali desni kot po dolžini cevi.
V tem temeljnem razredu struktur se ogljikove nanocevke razlikujejo tudi po ravnih valjih ali popačenih na nek način, kot so zvite ali razvejane. Dodatne oblike, ki so bile ustvarjene, vključujejo nanocevko z ogljikovo kroglo, ki je pritrjena nanjo, znano kot nanobud, in nanocevke v skodelicah, ki so niz konkavnih struktur v obliki diska, poravnanih v obliki cevi. Izdelane so bile tudi strukture nanocevk v obliki torusov ali krofov, ki imajo visoke lastnosti magnetnega momenta, zaradi česar bi bile uporabne kot močni senzorji.
Struktura ogljikovih nanocevk določa tudi njihove fizikalne in kemijske lastnosti, kjer so foteljske nanocevke glede na električno prevodnost vedno kovinske, cik-cak in kiralne oblike pa polprevodne. Šest ogljikovih vezi, ki sestavljajo osnovno šesterokotno strukturo ogljikove nanocevke, je med seboj oddaljenih približno 0.14 nanometrov v močnih molekularnih, kovalentnih vezi. Te valjane plošče grafita se nato med seboj vežejo v večstenske nanocevke, ki so v bistvu cilindri v valjih, s šibkimi van der Waalsovimi silami na razdalji približno 0.34 nanometrov med stenami cilindra. Ta šibka molekularna vez omogoča, da strukture grafitnih plošč zdrsnejo druga proti drugi, kar omogoča enostavno drgnjenje grafita pri aplikacijah, kot je na primer, ko se svinčnik pritisne na papir.
Druge vrste ogljikovih nanocevk vključujejo ekstremne ogljikove nanocevke, ki so preprosto različice naravnega dizajna, kjer so zelo dolge, kratke ali tanke. Uporabljajo se pri izdelavi kablov, ki so 20 do 100-krat močnejši od jekla za stvari, kot je vesoljsko dvigalo, in za umetne mišice, ki lahko delujejo v temperaturnem območju od -321° do 2,800° Fahrenheita (-196° do 1,538° Celzija ). Nekateri ekstremni filmi z nanocevkami so sposobni zajeti tudi infrardeče valovne dolžine svetlobe, znane kot sevanje črnega telesa ali toplotno sevanje. To bi jih naredilo uporabne v sončnih celicah, ki bi lahko ponoči zajemale to toploto, ki jo Zemlja oddaja v vesolje, kar bi omogočilo neprekinjeno proizvodnjo energije s stopnjo učinkovitosti več kot 35 %, kar je dva do petkrat boljše od kot pri običajnih sončnih celicah.