炭素の同素体の一つであるグラファイト（黒鉛）は六員環網目状二次元シートが積層してできている。CNTは、その1枚のシートであるグラフェンシート（grapheme sheet）を円筒型に丸めたもので、通常両端は閉じている。直径は数nm（ナノメートル　nは10^-9＝10億分の1）～数十nmで、長さはその1000倍近い数μm（マイクロメートル　μは10^-6＝100万分の1）にも達する。1991年、NEC基礎研究所の飯島澄男氏がグラフェンシートが幾重にも巻かれた多層ナノチューブ（MWNT ; multi walled nanotube）をみつけ、その後単層ナノチューブ（SWNT ; single walled nanotube）も発見され、最近では二層ナノチューブ（DWNT ; double walled nanotube）も高純度で得られるようになった。CNTには電気伝導性があり、グラフェンシートの巻き方によって金属的になったり半導体的になったりする。電圧をかけると円筒の先端から電子を多量に放出する。以前からCNTを研究していたJFEグループと信州大学の遠藤守信教授が、断面が多角形でらせん状の新型カーボンナノチューブ（商品名「ナノコア」）をつくることに最近成功し、電界放電型ディスプレーへの利用をはじめ半導体の配線や電池の電極に混ぜて性能を向上させるなど、幅広い利用法が検討されている。一方、変わり種として、CNTにフラーレンや金属内包フラーレン（Gd@C₆₀〈ガドリニウムGdを内包するC₆₀〉など）を取り込んだピーポッド（peapod）、直径100nm程度の円錐形をしたCNTの集合体カーボンナノホーン（carbon nanohorn）、CNTをコイル状にしたカーボンナノコイル（carbon nanocoil）が知られている。CNTを安価で大量につくる方法が模索されており、炭化水素を熱分解する化学気相成長法（CVD ; chemical vapor deposition）が有力視されている。最近、炭素材料に微量の水を混合するスーパーグロース法（super-growth）により高純度の単層CNTや二層CNTの大量合成が実現した。