納米金剛石有較大的比表面積，表面覆蓋著羧基、內酯、羥基、酮和烷基等多種化學基團，對蛋白質有著很高的親和力，因而可用於蛋白質的分離和純化。
螢光細胞標記物在生命科學領域扮演著重要的角色，但許多可用的標記物在物理、光學以及毒性方面都存在著一定的缺陷。納米金剛石作為一種新型的碳納米材料，具有化學惰性、有螢光但無光致漂白、無毒性的優勢，可用於細胞標記與生物成像。
實驗結果顯示納米金剛石在細胞標記與生物成像的研究方面具有很重要的應用價值，它可以用於癌細胞與幹細胞的標記與追蹤，也可以作為與細菌或細胞相互作用的螢光探針，同時，在細胞水平上，它還可以作為生物成像的載體將生物活性物質轉運到細胞內發揮作用，而且可以用於體內的生物成像。
生物傳感器是一種利用生物物質(如酶、蛋白質、DNA、抗體、抗原、生物膜、微生物、細胞等) 作為識別元件，將生化反應轉變成定量的物理化學信號，從而能夠進行生命物質和化學物質檢測和監控的裝置。隨著納米金剛石應用範圍的擴大，許多研究人員發現了它在生物傳感方面的應用價值。葡萄糖生物傳感器能夠簡單迅速的進行疾病診斷，對治療糖尿病有重要意義。非摻雜的納米金剛石修飾的金電極可作為一種電化學的葡萄糖傳感器。在這一研究中，納米金剛石粒子包裹在金電極的表面，然後將葡萄糖氧化酶固定在納米金剛石表面，納米金剛石預先修飾電極的陽極，不僅能夠提高電子在納米金剛石晶片中轉移的速率，而且能夠顯著的改善溶解氧的減少。這一發現可以通過監測氧減少的電流變化來檢測負電位的葡萄糖。
基因傳輸與治療的目的，是引入外源基因以補充缺陷基因或為體內提供更多的生物功能。實驗結果顯示，納米金剛石可成為一種快速的、可擴展的、廣泛適用的基因傳輸工具。
納米技術為藥物的傳輸提供了新的方式和途徑，納米金剛石可以與藥物以共價鍵或非共價鍵的方式結合，作為藥物傳輸工具將藥物轉運到靶細胞或靶器官而發揮作用。
轉鐵蛋白與螢光納米金剛石共價結合後能通過受體介導的內吞作用進入細胞，其攝取機制是一種溫度、能量、網格蛋白依賴的途徑，從而納米金剛石可作為一種特殊的細胞攝取與藥物傳輸的工具。除了受體介導的機制外，胰島素以非共價的方式吸附到納米金剛石表面，可作為一種pH依賴的蛋白質傳輸工具，其中胰島素的釋放是可調的，並保留著原有活性。研究結果顯示，納米金剛石不僅能夠作為有效的轉運載體，而且其轉運機制也比較明確。因此，可以進一步拓展其作為載體在生物醫學領域中的應用。
納米粒表面能夠提供各種各樣的化學基團，供多種癌症診斷與化療藥物以共價鍵或非共價鍵的方式結合，據此去設計和開發具有多功能化學基團的納米粒並用於腫瘤同步成像與治療，已經成為目前癌症藥物研究的主要目標。一些研究表明，抗癌藥物與納米金剛石連接後能夠減少毒副作用，提高靶向性，並表現出較強的抗癌活性。如紫杉醇與表面修飾的納米金剛石共價連接以後，其抗癌活性比單獨紫杉醇的抗癌活性要高。
納米金剛石與納米鉑的混合材料( DPV576-C)在體外作用於樹突狀細胞後，可增加CD83和CD86的表達，上調樹突狀細胞分泌的細胞因子IL-6、TNF和IL-10 的水平，提高CD4+T 細胞生長的能力。在體內DPV576-C 作用於C57BL /6 小鼠後，與未處理的C57BL /6 小鼠相比，能夠增加CD4+和CD8+ T細胞和它們的激活標記物CD25 和CD69 的百分比，增強NK 細胞的活力，而且沒有組織病理學上的毒副作用。因此，該混合材料可用於提高癌症治療過程中的免疫應答反應以及治療病人的免疫功能障礙。