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材料在縮小至奈米尺度後，比表面積增大，曝露於表面及界面的原子數增多，表面未能急速提高，粒子表面的活性因而大幅改變，許多新奇獨特的介觀〈mesoscopic〉特性因奈米化而出現。

當顆粒變小時所引起的性質變化，稱為「小尺寸效應」。當微粒尺寸與光波波長或德布洛依波長〈de Broglie wave〉相當或更小時，粒子的晶體週期性邊界條件將被破壞，奈米粒子表面的原子密度下降，導致光、聲、電、磁、熱等物件發生變化。

材料在奈米化後，表面原子數相對於總原子數之比例大幅提高，而整體比表面積亦顯著增大。每一個表面原子都帶有表面位能，因表面原子總數增加，使總體表面位能也隨之提高。由於奈米粒子的比表面積大、表面位能高，且表面原子因配位數不足，較內層原子更活潑，所以奈米粒子具有高化學活性，易與其他物質起反應。金屬奈米粒子在空氣中易燃燒，無機奈米粒子容易吸附氣體進行反應。

奈米粒子所包含的原子數有限，各原子受到鄰近原子的影響減少，形成非連續的離散電子能階，而產生量子限域效應〈quantum confinement〉。另一方面，最高電子佔據分子軌道與最低電子未占據分子軌道的能階差〈稱為能隙〉，也會因奈米化而變寬。這種電子能階呈非連續化及能隙變寬的現象，稱為「量子尺寸效應」。

除前述特殊效應外，奈米材料在光、電、化、熱、力、磁學的性質上，也會產生與大尺寸材料迥然不同的表現。

粒子奈米化後，光與微波的吸收度均顯著提升。奈米化的金屬不反射可見光，故失去金屬光澤而呈黑色。奈米粒子的量子效應使能隙變寬，使激發光譜與發光光譜趨向短波長，產生藍移〈blue shift〉現象。利用此特性，可設計量子點材料，以粒子尺寸自由改變發光波長，應用於光電元件與生物標記〈bio-labeling〉上。

材料的硬度與尺寸大小密切相關。尺寸越小，硬度就越大，但晶粒越小至一臨界值時，硬度會隨粒徑變小而降低。與大顆粒材料相較，奈米粒子有更多的擴散途徑，故有超塑性及更好的延展性，可提升材料機械特性及擴展應用空間。

奈米粒子表面的高表面位能，是燒結〈sintering〉過程中促使原子移動的極大驅動力，使奈米粒子比一般大粒子更易於低溫燒結，達到材料緻密化的目的。奈米粒子因裸露於表面原子數增多，熔化所需增加的內能減少，使得奈米粒子的熔點急遽下降。

當材料奈米化後，由於電子的量子尺寸效應，加上顯微結構變化、表面鍵結及表面張力的差異，使其吸附行為與塊材大相逕庭，進而影響其化學反應活性。當粒子粒徑變小，因表面張力及表面位能增大，為平衡與周圍環境的界面位能差，奈米粉體的吸附能力遠大於大顆粒粉體。奈米粉體表面低配位數，使表面原子活性增大，易於參與化學反應。

奈米金屬中的自由電子平均自由徑會隨粒徑變小而減少，使金屬導電性下降，由導體變成絕緣體。奈米半導體的介電常數有明顯尺寸效應，在臨界尺寸時有極大值，大於或小於臨界尺寸時，介電常數均會下降。另外，奈米材料特殊的穿隧效應與庫倫阻塞效應，也被積極應用於掃瞄式穿隧電子顯微鏡及單電子電晶體上。