碳纳米管由于具有独特的金属或半导体导电性、优秀的力学性能、机械强度、吸附能力、场致电子发射性能和宽带电磁波吸收等性能，在电子信息技术、生物医药、航空航天、能源存储与转化、催化及环境科学等领域具有广阔的应用前景。碳纳米管在被发现之后立即受到了物理、化学和材料科学界专家的高度关注。
1.电子器件
碳纳米管具有优异的力学性能和电学性能，在电子器件领域深受欢迎。
Nantero公司将碳纳米管应用在存储器领域，开发了纳米随机存储器，这是一种非易失性存储器技术，通过碳纳米管的小尺寸获得很高的存储密度。此前，日本富士通半导体和三重富士通半导体宣布已经与美国Nantero公司达成协议，授权该公司使用碳纳米管非易失性随机访问内存，基于55纳米工艺技术进行联合开发以发布该产品。
IBM公司利用其碳纳米管生产技术可以开发具有优异性能的微芯片技术。据悉，这种新型碳纳米管微芯片具有非常快的运算速度，可以使计算机运算速度达到硅芯片的1000倍以上。
日本瑞翁公司利用超级生长法成功开发出了碳纳米管-橡胶复合片状系统热界面材料。与现有热界面材料相比，热阻值更加优异且性能与可靠性更强，可作为解决服务器或功率器件热问题的关键材料。
日本富士通研究所开发了碳纳米管半导体芯片电路技术。利用该项技术可起到降低电流电阻、防止电路断路的作用，这将会极大的提高芯片的整体性能。
我国在碳纳米管触控屏领域已经取得产业化，此前，天津富纳源创科技有限公司通过与清华大学的合作，成功产业化全球首个碳纳米管触控屏，并为华为等手机厂商配套。碳纳米管触控屏与传统ITO技术相比具有廉价、柔性、工艺简单以及低能耗、低污染等优点。
2.新能源材料
导电添加剂是碳纳米管一项非常重要的用途。德国朗盛公司和OCSiAl公司合作开发了碳纳米管导电添加剂，据悉，这种导电添加剂使用方便，可为水性涂料、电池等提供导电表面，同时不影响这些材料的其他关键性能。
同时，碳纳米管具有优异的电学性能，在电池领域也应用广泛。比如，OCSiAl公司的单壁碳纳米管可提高铅酸电池的整体性能，通过添加TUBALL™ 碳纳米管，可在高放电倍率下提高电池容量，延长电池的循环寿命。
为提高锂电池的快速充放电性能，日本钟化公司与爱知工业大学的研究团队将碳纳米管混入被称为TOT的有机分子中作为电池的电极使用。这种方法增加了电子的数量并提高了导电速度。组装为纽扣电池进行测试，充电时间可达到30秒，循环5000次性能无明显下降。
日本MTES公司联合世界级碳纳米管制造商比利时Nanocyl SA公司，共同开发新型镁电极电机技术，以及运用薄膜碳纳米管空气电极的高氧自由度电池型发电系统。可以用于IoT、电动汽车、应急电源等各领域的电源装置。
日本积水化学公司利用碳纳米管热电材料，开发了碳纳米管温差发电产品，与传统有机系产品相比，其性能大幅提升。该产品将会应用于电池和光伏系统难以应对的高温环境以及全天候监控设备的传感器电源。
国内方面，百应公司将碳纳米管应用于氢燃料电池领域，通过与美国佛罗里达州立大学合作开发了碳纳米管电极制作技术，开发氢燃料电池膜电极。通过多层碳纳米管阴极/阳极专利技术，可制备小于400平方公分的任何尺寸膜电极（空气电极/燃料电极）。外围消息显示，百应的高功率膜电极，用较少的膜电极面积可以取得同等功率。减少了膜电极的面积，同时减少了燃料电池堆的材料、重量和体积，从而降低了系统成本。
3.复合材料
利用碳纳米管以提高复合材料的力学性能是比较常见的一种应用方式。
OCSiAl公司开发的TUBALL™ 单壁碳纳米管并不仅仅是一种导电添加剂，同时也可以起到增强复合材料基体的作用。在TUBALL™单壁碳纳米管在“增强塑料国际会议和展示”上吸引了很多复合材料制造企业的兴趣。当碳纳米管嵌入材料时，在单壁碳纳米管仅为0.01 wt.%的超低负载水平下，可显著改善材料的性能。单壁碳纳米管的添加可提供优异的导电性并起到增强网络的作用，确保材料具有导电性的同时提高材料的机械性能。
除增强高分子材料外，瑞士Art Carbon公司的碳纳米管专利应用则主要集中于建筑材料领域。通过碳纳米管的添加可增加建筑材料的抗压强度、改善固化过程并缩短固化时间。
4.航空航天材料
在航空领域也会发现碳纳米管的身影，美国NASA开发了超高强度、轻质碳纳米管基航空结构材料。外太空探索需要全新的交通车辆、栖息地、电力系统和勘探系统，这些都需要新型材料的支持，并且这些材料甚至会比目前所使用的最先进的系统更轻、具有更大的强度。NASA通过与工业合作伙伴以及科研院所合作，将实验室的先进技术转化为先进的生产设施，制备足够数量的先进材料用于NASA的航天任务。
此外，碳纳米管还可以加工为碳纳米管晶片，应用于纳米卫星等航天设备上。NASA研究团队还开发了专门用于CubeSat（立方卫星）望远镜的轻量型镜片，这是首个使用环氧树脂和碳纳米管组成的镜片。在CubeSat望远镜上使用碳纳米管镜片可以带来多种好处，除了更轻、更稳定并且易于重复生产之外，碳纳米管镜片的一个重要优点是无需抛光，抛光是一个费时费力的加工方法，并且通常很浪费成本，但是传统镜片却无法摆脱这种工艺。通过这种新型纳米管镜片可以为一系列CubeSat科研活动提供廉价的空间望远镜。
5.其它功能材料
美国特斯拉纳米涂料公司曾对外宣布，针对碳纳米管防腐涂料开发了具有突破性的湿碰湿（Wet-on-Wet）工艺。这种技术叫做“2×1 Wet Edge™”，具有优异的防腐性能，可大幅节省时间和生产成本。这种碳纳米管防腐涂料可应用于石油工业、天然气工业和其他具有恶劣腐蚀性环境的工业。此外，美国陆军已将特斯拉产品列入其技术解决方案体系。
不难发现，碳纳米管在电子器件、新能源材料以及复合材料领域的应用非常广泛。近年来，世界各国大力发展新能源材料，碳纳米管因其优异的电学性能经常被添加到新能源材料中以提高材料的电学性能。因此，在电池电极和导电添加剂等领域碳纳米管应用较多，同时碳纳米管特殊的中空结构和高比表面积也使其在储氢领域具有很大的应用潜力。
采用碳纳米管增强复合材料主要是想利用其良好的力学性能。常见的复合方式有碳纳米管/聚合物复合材料、碳纳米管/金属基复合材料、碳纳米管/陶瓷基复合材料等。通过添加碳纳米管可以显著提高材料的抗压、抗拉、耐磨等性能。
在电子领域采用碳纳米管主要是由于硅基微电子学发展至今，商用晶体管特征尺寸已经达到了原子尺度，物理极限凸显，很难继续发展。通过引入碳纳米管到硅基集成电路中或者建立碳纳米管电子学是解决上述问题的方法之一。但是有研究指出，不同的几何结构会影响碳纳米管的禁带宽度，碳纳米管在电子器件领域能走多远仍需经受考验。