納米碳管最令人矚目的熱學性能是導熱系數。理論預測納米碳管的導熱系數很可能大于金剛石而成為世界上導熱率高的材料。不過，測量單根納米碳管的導熱系數是一件很困難的事情，目前還沒有獲得突破。將電弧法制備的單壁納米碳管軋成相對密度為70%，尺寸為5mm×2mm×2mm的方塊，Hone測得了室溫下未經處理的納米碳管塊材的導熱率為35W/（M·K），該值遠小于理論預測值。顯然，納米碳管塊材中的空隙和納米碳管之間的接觸都將極大地減小納米碳管塊材的導熱率。而且，與石墨相類似，納米碳管沿軸方向與垂直于軸向方向的導熱能力應有很大的不同。因此，該結果不能代表納米碳管的實際熱率。正如單根納米碳管的電導率是納米碳管體材料的電導率的50—150倍一樣，如果單根納米碳管的電導率也是如此，那么納米碳管的導熱率應為1750—5800W/（M·K）。通過測量納米碳管塊材的導熱率與溫度的關系曲線可以推斷，納米碳管的導熱是由聲子決定的，并就此估計出納米碳管中聲子的平均自由程約為0.5—1.5μm。
　　利用X射線衍射和透射電子顯微鏡研究納米碳管在5.5Gpa下的熱穩定性也取得了重要進展。根據以往的研究，在常壓真空條件下納米碳管的熱穩定性非常好，其結構在2800℃以下可能并不發生變化。實驗發現，在5.5Gpa壓力下，雖然納米碳管的微結構在低溫時沒有發生明顯的改變，但在950℃即開始發生變化，轉變成類巴基蔥和類條帶結構，而在1150℃時轉變成石墨結構，高壓是這種轉變的主要原因，高壓可以促使納米碳管結構的破裂，從而降低它的熱穩定性。