棉纤维主要组成物质是纤维素，其余为纤维素伴生物。棉纤维素及其伴生物的含量取决于棉纤维的成熟程度。完全成熟的棉纤维其纤维素的含量约占棉纤维总重的94%;左右，伴生物含量较少。

在显微镜下观察可发现，棉纤维纵向呈扁平的转曲带状，封闭的一端尖细，生长在棉籽上的一端较粗且敞口。棉纤维的横断面由许多同心层组成，主要有初生层、次生层、中腔三个部分。