Phương pháp này sử dụng một dung dịch gồm tiền chất và một tác nhân điều chỉnh (ví dụ amin) hay đóng vai trò làm khuôn hòa tan trong một dung môi với tỷ lệ thích hợp. Hỗn hợp này được đặt trong 1 bình autoclave rồi giữ ở nhiệt độ và áp suất tương đối cao để quá trình mọc tinh thể và lắp ráp các phân tử xảy ra. Nhiệt độ và áp suất cao có tác dụng tăng độ hòa tan và tốc độ phản ứng giữa pha rắn. Ngoài ra, trong phương pháp thủy nhiệt còn sử dụng
một tác nhân cản trở sự kết tụ của các tinh thể nano. Phương pháp này có thể sản xuất được nhiều loại tinh thể thanh nano và sợi nano bán dẫn. Xia [18] và cộng sự đã tổng hợp được các dây nano Se có đường kính từ 10 đến 30 nm và chiều dài vài trăm micromet. Đầu tiên, Se rắn được hình thành trong dung dịch nhờ phản ứng khử axit selenic bằng hydrazin dư chảy ngược dòng, phản ứng xảy ra ở nhiệt độ cao:
H2SeO3 + N2H4 → Se↓ + N2¯ + 3H2O
Sản phẩm đầu là chất rắn vô định hình (a-Se) dạng cầu màu đỏ gạch với đường kính 300nm. Khi làm lạnh dung dịch này về nhiệt độ phòng, một lượng nhỏ Se trong dung dịch bị kết tủa ở dạng tinh thể nano dạng tam tà (t- Se), keo a-Se hòa tan chậm vào dung dịch do năng lượng tự do cao hơn so với pha t-Se. Trong quá trình làm già hỗn hợp gồm keo a-Se và tinh thể nano t-Se, các dây tinh thể pha t hình thành trên các mầm. Mỗi sợi dây nano có đường kính đồng đều dọc theo trục kinh tuyến của chúng.
Ưu điểm chính của phương pháp này là hầu hết vật liệu đều có thể tan trong một dung môi thích hợp khi đun nóng và tăng áp suất đến điểm tới hạn. Vì thế, hướng tiếp cận này thích hợp đối với mọi vật liệu rắn. Tuy nhiên, sản phẩm tạo thành thường có độ tinh khiết thấp, độ đồng đều và hiệu suất không cao.