成熟棉纤维呈扁管状，前端尖实，中部及基部有细胞腔，外围有增厚的细胞壁。纤维有许多忽左忽右的扭转，称为转曲或称捻曲，在各种天然纤维中，此性状为棉纤维所特有。纤维的横切面一般呈“腰圆形”，由外向内依次包括初生胞壁、次生胞壁及中腔3部分。其中次生胞壁是棉纤维的主体部分，主要由纤维素组成，是棉纤维发育过程中纤维素逐层沉积而成。

棉花胚珠表皮细胞发育成纤维，经细胞分化、伸长、加厚与脱水成熟4个阶段，其中纤维伸长与纤维细胞壁加厚存在重叠过程。陆地棉开花后0～25天为伸长期，15～55天为加厚发育期，重叠达7～10天。加厚期纤维素以结晶态形式每天向内淀积一层。从棉铃开裂至充分吐絮为脱水扭曲期，一般5～7天。成熟良好的纤维，细胞壁厚，扭曲多，可增加纤维之间的抱合力，提高成纱强度。加厚的速度和厚度，因品种和环境条件而异。在环境条件中，温度是影响纤维加厚的主要因素。