Os mecanismos de toxicidade dos nanotubos de carbono ainda não estão completamente esclarecidos. 

Foi  reportado que  o  mecanismo principal  de toxicidade envolve a formação de espécies reativas de oxigénio. De facto, quer os SWCNT quer os MWCNT formam espécies reactivas de oxigénio e são responsáveis por efeitos pró-inflamatórios. Resultados de outros estudos afirmam que estas nanopartículas também podem interagir com o DNA, danificando a sua estrutura, levando a uma desregulação do ciclo celular e por fim à apoptose. Interferências na fase G1 são também descritas como sendo críticas para a toxicidade celular, apesar de ainda não estarem bem esclarecidas. Para além disso, e à semelhança do que está relatado para as fibras de amianto, os nanotubos de carbono podem em última análise induzir o cancro. 

Apesar dos nanotubos de carbono entrarem no organismo, e neste se poderem difundir através da circulação sanguínea, existem locais preferenciais onde estas partículas se vão acumular e causar uma maior citotoxicidade. O fígado e os pulmões mostraram elevadas taxas de stress oxidativo  quando submetidos à acção de SWCNT, comparativamente com o baço no qual o stress oxidativo se manteve constante. Um outro estudo revela ainda que os nanotubos de carbono apresentam maior afinidade para as células tumorais em detrimento das células “normais”.