Die Manipulationsmöglichkeiten eines Nanoroboters konzentrieren sich darauf, Atome, Moleküle und insbesondere kleinere Atomgruppen und Molekülketten zu isolieren oder neu zu formieren. Mit Spezialwerkzeugen sind sie sogar in der Lage, einzelne Moleküle gezielt zu konstruieren oder die Bindungen zwischen den Atomen eines Moleküls aufzulösen. Dabei handelt es sich allerdings nicht um Universalwerkzeuge, die beliebige Änderungen an den Anordnungen von Atomen und Molekülen durchführen können, sondern jedes dieser Werkzeuge erlaubt nur sehr wenige Möglichkeiten, wie z.B. ausschließlich das Konstruieren von Diamantkristallen oder ausschließlich die Veränderung von Kohlenwasserstoffen zur Erzeugung von Polymeren.

Auch wenn sich diese Maßnahmen eher unscheinbar anhören, bieten sich damit Möglichkeiten, die mit keinem anderen Feinwerkzeug ähnlich effizient erreicht werden können. So ist die Produktion von reinsten Werkstoffen wie reinem Silizium oder Kohlenstoff ebenso möglich wie die gezielte Änderung der Erbmasse einer Zelle.

Ihren Einsatzgebieten entsprechend können Nanoroboter auch zusätzlich mit extrem feinen Nadeln oder ähnlichen Werkzeugen ausgestattet sein. Solche Werkzeuge werden insbesondere bei Nanorobotern verwendet, die im menschlichen Körper oder anderen Organismen zum Einsatz kommen.