Estudos revelam que existem principalmente dois mecanismos de interação dos nanotubos de carbono com a superfície celular: endocitose/fagocitose e nanopenetração.

​

Como é do conhecimento geral, o processo de endocitose envolve a introdução de partículas no meio intracelular através de vesículas. Por outro lado, a fagocitose é semelhante à endocitose, mas consegue envolver partículas maiores (por exemplo, bactérias) e é mediado apenas pelas células fagocíticas do organismo (neutrófilos, macrófagos, células dendríticas). Ambos os processos envolvem o consumo de energia, ao contrário da nanopenetração que é um processo passivo (semelhante à difusão passiva) através do qual os nanotubos de carbono atravessam a membrana celular.