棉纤维的主要成份是纤维素，纤维素是天然高分子化合物，纤维素的化学结构式由α葡萄糖为基本结构单元重复构成，其元素组成为碳44.44%、氢6.17%、氧49.39%。棉纤维的聚合度在6000~11000间。此外，棉纤维还附有5%左右的其他物质，称为伴生物，伴生物对纺纱工艺与漂练、印染加工均有影响。棉纤维的表面含有脂蜡质，俗称棉蜡，棉蜡对棉纤维具有保护作用，是棉纤维具有良好纺纱性能的原因之一，但在高温时，棉蜡容易熔融。经脱脂处理，原棉吸湿性增加，吸水能力可达本身重量的23~24倍。
棉纤维长度是指纤维伸直时两端间的距离，是棉纤维的重要物理性质之一。棉纤维的长度主要由棉花品种、生长条件、初加工等因素决定。通常细绒棉的手扯长度平均为23~33mm，长绒棉为33~45mm。
棉纤维的线密度是指纤维的粗细程度，是棉纤维的重要品质指标之一，它与棉纤维的成熟程度、强力大小密切相关。
棉纤维的成熟度是指纤维细胞壁的加厚程度，即棉纤维生长成熟的程度，它与纤维的各项物理性能密切相关。正常成熟的棉纤维，截面粗、强度高、转曲多、弹性好、有丝光、纤维间抱合力大、成纱强力也高。所以，可以将成熟度看成棉纤维内在质量的一个综合性指标。棉纤维的成熟度差异很大，即使正常吐絮后采摘的同一批棉花中，也会含成熟的与不成熟的纤维。
棉纤维是多孔性物质，且其纤维素大分子上存在许多亲水性基团（—OH），所以其吸湿性较好，一般大气条件下，棉纤维的回潮率可达8.5%左右。
在显微镜中观察成熟的棉纤维时，可以看到在扁平的带状纤维上有许多螺旋形的扭曲，这种扭曲是棉纤维在生长过程中自然形成的，称为“天然转曲”。天然转曲是棉纤维的形态特征，可用天然转曲这一特点将棉与其他纤维区别开。天然转曲一般以单位长度（1cm）中扭转180度的个数表示。
