碳纳米管的独特结构决定了它具有许多特殊的物理和化学性质。组成碳纳米管的 C=C 共价键是自然界最稳定的化学键，所以使得碳纳米管具有非常优异的力学性能。理论计算表明，碳纳米管具有极高的强度和极大的韧性。其理论值估计杨氏模量可达 5TPa，强度约为钢的 100 倍，而重量密度却只有钢的 1/6。Treacy 等首次利用了 TEM 测量了温度从室温到 800 度变化范围内多壁碳纳米管的均方振幅，从而推导出多壁碳纳米管的平均杨氏模量约为 1.8Tpa。而 Salvetat 等测量了小直径的单壁碳纳米管的杨氏模量，并导出其剪切模量为 1Tpa。Wong 等用原子力显微镜测量多壁碳纳米管的弯曲强度平均值为 14.2±10.8GPa，而碳纤维的弯曲强度却仅有 1GPa。碳纳米管无论是强度还是韧性，都远远优于任何纤维，被认为是未来的"超级纤维"。