棉纖維的形態結構如下：
橫截面。呈腰圓形，中間有胞腔，即中腔；截面形態隨成熟程度不同而變化，未成熟的棉纖維截面較扁，中腔較大，成熟的棉纖維截面呈腰圓形，中腔較小，過成熟的棉纖維截面則呈圓形，中腔很小。
縱面。呈扁平帶狀，具有天然轉曲，即沿纖維長度方向不斷改變轉向的螺旋形扭曲，這種天然轉曲使棉纖維具有一定的抱合力，有利於紡紗工藝的進行和成紗質量的提高。
此外，棉纖維的細胞壁主要由纖維素組成，表層含蠟類物質和少量糖類物質，內壁面含有蛋白質、糖類等，棉纖維的長度和線密度與棉花品種、生長條件、初加工等因素有關。