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。所以棉布容易绕罗拉、绕胶辊。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。
棉纤维的长度主要取决于棉花的品种、生长条件和初加工。通常细绒棉的手扯长度平均为23~33mm，长绒棉为33~45mm。棉纤维的长度与纺纱工艺及纱线的质量关系十分密切。一般长度越长、长度整齐度越高、短绒越少，可纺的纱越细、条干越均匀、强度越高，且表面光洁、毛羽少;棉纤维长度越短，纺出纱的极限线密度越高。各种长度棉纤维的纺纱线密度一般都有一个极限值。
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。棉纤维长度与成纱质量和纺纱工艺关系密切。棉纤维长度长，整齐度好，短绒少，则成纱强力高，条干均匀，纱线表面光洁，毛羽少。
棉纤维的长度是不均匀的，一般用主体长度、品质长度、均匀度、短绒率等指标来表示棉纤维的长度及分布。主体长度是指棉纤维中含量最多的纤维的长度。品质长度是指比主体长度长的那部分纤维的平均长度，它在纺纱工艺中，用来确定罗拉隔距。短绒率是指长度短于某一长度界限的纤维重量占纤维总量的百分率。一般当短绒率超过15%时，成纱强力和条干会明显变差。此外，还有手扯长度、跨距长度等长度指标。
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。棉纤维线密度还是决定纺纱特数与成纱品质的主
要因素之一，并与织物手感、光泽等有关。纤维较细，则成纱强力高，纱线条干好，可纺较细的纱。
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。通常讲的纤维成熟度，是指一批原棉的平均成熟度。
棉纤维成熟度的高低与纺纱工艺、成品质量关系十分密切，一般来说:
⑴成熟度高的棉纤维能经受打击，易清除杂质，不易产生棉结与索丝。
⑵成熟度高的棉纤维吸湿较低，弹性较好，加捻效率较低。
⑶成熟度高的棉纤维在加工过程中飞花和落棉少，成品制成率高。
⑷成熟度中等的棉纤维，由于纤维较细，因而成纱强度高;成熟度过低的棉纤维成纱强度不高;成熟度过高的棉纤维偏粗，成纱强度亦低，但成熟度高的棉纤维在加工成织物后，耐磨性较好。
⑸成熟度高的棉纤维吸色性好，织物染色均匀。薄壁纤维吸色性差，容易在深色织物上显现白星，影响外观。
成熟度用成熟度系数表示，是指棉纤维中段截面恢复成圆形后相应于双层壁厚与外径之比的标定值。实际检验时采用中腔胞壁比值法测定，即用可见中腔宽对可见一侧壁厚的比值来确定。
正常成熟陆地棉的成熟度系数一般在1.5~2.0，低级棉的成熟度系数在1.4以下。从纺纱工艺与成纱品质来考虑，成熟度系数在1.7~1.8时较为理想。海岛棉的成熟度系数较陆地棉高，通常都在2.0左右。如果种植海岛棉的地区气温偏低，则海岛棉的成熟度系数将显著降低，成熟不良。
棉纤维的强度是纤维具有纺纱性能和使用价值的必要条件之一，纤维强度高，则成纱强度也高。棉纤维的强度常采用断裂强力和断裂长度表示。细绒棉的
强力为3.5~4.5cN，断裂长度为21~25km;长绒棉的强力为4~6cN，断裂长度为30km.由于单根棉纤维的强力差异较大，所以一般测定棉束纤维强力，然后再换算成单纤维的强度指标。棉纤维的断裂伸长率为3%~7%，弹性较差。
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。
棉纤维耐无机酸能力弱。棉纤维对碱的抵抗能力较大，但会引起横向膨化。可利用稀碱溶液对棉布进行"丝光"。
此外，棉纤维中还夹着杂质和疵点，杂质有泥沙、树叶、铃壳等，疵点有棉结、索丝等。它们即影响纺织的用棉量，也影响加工和纱部质量，所以必须进行检验，严格控制。
由于棉纤维的主要组成物质是纤维素，所以它较耐碱而不耐酸。烧碱可使棉纤维剧烈膨化，直径变大，长度缩短，以致引起棉制品的强烈收缩。此时，若施加张力，限制其收缩，棉制品表面会变得平整光亮且大大改善染色性能，此加工称为丝光;若不加张力任其收缩，称为碱缩。针织物经碱缩后会变得紧密而富有弹性，而且保形性好。酸能使棉纤维强度变差，尤其是强酸浓酸应忌用，它可溶于70%以上浓硫酸中，浓盐酸、浓硝酸对其强度也有严重影响。
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。
一根棉纤维上的转曲数有多有少，一般成熟正常的棉纤维转曲最多，薄壁纤维转曲很少，过成熟纤维外观呈棒状，转曲也少。不同品种的棉花，转曲数也有差异，一般长绒棉的转曲多，细绒棉的转曲少。细绒棉的转曲数约为39~65个/cm。棉纤维的转曲方向可沿纤维长度不断改变，有时左旋，有时右旋，称为转曲的反向，反向数约为10~17次/cm。天然转曲使棉纤维具有良好的抱合性能与可纺性能，天然转曲越多的棉纤维品质越好。
转曲的形成是由于棉纤维生长发育过程中微原纤沿纤维轴向呈螺旋形排列的结果。棉铃开裂前，纤维内含有较多水分，纤维不出现转曲;只有当棉纤维干涸以后，螺旋排列的微原纤才会由于内应力的作用形成转曲。煮沸以后的棉纤维内部固有的结构决定了转曲的数目、方向和位置。棉纤维的转曲较多时，纤维间的抱合作用大，在加工中不易产生破棉网、破卷等现象，有利于纤维的纺纱工艺与成品质量，但转曲反向次数过多会使棉纤维的强度下降。单位长度中反向次数多的棉纤维强度较低，反向次数少的棉纤维强度较高。
