碳奈米管具有高模量和高強度。碳奈米管具有良好的力學效能，CNTs抗拉強度達到50～200GPa,是鋼的100倍,密度卻只有鋼的1/6，至少比常規石墨纖維高一個數量級；它的彈性模量可達1TPa，與金剛石的彈性模量相當，約為鋼的5倍。對於具有理想結構的單層壁的碳奈米管，其抗拉強度約800GPa。碳奈米管的結構雖然與高分子材料的結構相似，但其結構卻比高分子材料穩定得多。碳奈米管是目前可製備出的具有最高比強度的材料。若將以其他工程材料為基體與碳奈米管制成複合材料,可使複合材料表現出良好的強度、彈性、抗疲勞性及各向同性，給複合材料的效能帶來極大的改善。碳奈米管的硬度與金剛石相當，卻擁有良好的柔韌性，可以拉伸。在工業上常用的增強型纖維中，決定強度的一個關鍵因素是長徑比，即長度和直徑之比。材料工程師希望得到的長徑比至少是20:1，而碳奈米管的長徑比一般在1000:1以上，是理想的高強度纖維材料。2000年10月，美國賓州州立大學的研究人員稱，碳奈米管的強度比同體積鋼的強度高100倍，重量卻只有後者的1/6到1/7。碳奈米管因而被稱“超級纖維”。

碳奈米管的獨特結構決定了它具有許多特殊的物理和化學性質。

組成碳奈米管的 C=C 共價鍵是自然界最穩定的化學鍵，所以使得碳奈米管具有非常優異的力學效能。理論計算表明，碳奈米管具有極高的強度和極大的韌性。其理論值估計楊氏模量可達 5TPa，強度約為鋼的 100 倍，而重量密度卻只有鋼的 1/6。Treacy 等首次利用了 TEM 測量了溫度從室溫到 800 度變化範圍內多壁碳奈米管的均方振幅，從而推匯出多壁碳奈米管的平均楊氏模量約為 1.8Tpa。而 Salvetat 等測量了小直徑的單壁碳奈米管的楊氏模量，並匯出其剪下模量為 1Tpa。Wong 等用原子力顯微鏡測量多壁碳奈米管的彎曲強度平均值為 14.2±10.8GPa，而碳纖維的彎曲強度卻僅有 1GPa。碳奈米管無論是強度還是韌性，都遠遠優於任何纖維，被認為是未來的“超級纖維”。