棉纖維的主要成份是纖維素，纖維素是天然高分子化合物，纖維素的化學結構式由α葡萄糖為基本結構單元重復構成，其元素組成為碳44.44%、氫6.17%、氧49.39%。

棉纖維的聚合度在6000~11000間。此外，棉纖維還附有5%左右的其他物質，稱為伴生物，伴生物對紡紗工藝與漂練、印染加工均有影響。

棉纖維的表面含有脂蠟質，俗稱棉蠟，棉蠟對棉纖維具有保護作用，是棉纖維具有良好紡紗性能的原因之一，但在高溫時，棉蠟容易熔融。所以棉布容易繞羅拉、繞膠輥。經脫脂處理，原棉吸濕性增加，吸水能力可達本身重量的23~24倍。

棉纖維的內在品質指標主要有纖維長度、纖維細度、纖維強度和纖維成熟度等四項關鍵指標。

棉纖維長度

棉纖維長度是指伸直纖維兩端的距離。纖維長度有不同的測定方法。用手扯尺量法測出的長度叫手扯長度；用分梳法測出的長度叫分梳長度；用棉纖維光電長度儀測出的長度叫光電長度；用大容量纖維分析儀測出的長度叫跨距長度，常用的是2.5％跨距長度，簡稱2.5％纖維跨長。
一般情況下，分梳長度＞手扯長度、光電長度＞2.5％纖維跨長。棉纖維長度與成紗強度關系密切，用較長的纖維紡紗，會增加纖維之間的抱合長度，使紗線在受外力作用時，纖維不易滑脫，成紗強度較高。

棉纖維細度

棉纖維細度是指纖維的粗細程度，其直接含義是纖維細胞的直徑。由于棉纖維的直徑難以直接測定，且衡量棉紗粗細的主要是重量細度，即單位重量的長度，因而常選用重量細度來描述纖維的粗細?，F在常用氣流儀測定纖維的細度，即利用氣流原理，對纖維比表面積進行快速測定，并由此估計纖維的細度，用馬克隆值表示。
纖維細度與成紗強度關系密切，由于棉紗由多根纖維抱合而成，紗線強度的高低，除決定于纖維自身強度外，還與單位紗線細度內的纖維根數、纖維之間相對滑移的程度和條干均勻度有關。紡高支紗，只能使用纖維較長、細度較好的原棉。

棉纖維強度

 棉纖維強度是指棉纖維抵抗拉伸斷裂的強弱程度。在其他指標基本相同時，纖維強度與紗、布質量成正相關關系。在現代紡紗設備轉速較高的情況下，纖維強度高，對降低紡紗中的斷頭率和提高生產效率，具有很重要的作用。

棉纖維成熟度

棉纖維成熟度是一項反映纖維胞壁加厚程度的重要指標。在纖維細胞直徑相似的情況下，胞壁愈厚，成熟度愈高。棉花纖維的細度、馬克隆值、強度以及染色特征等，都與成熟度有密切關系。

優質原棉纖維要求各主要物理性能指標必須協調，即纖維的長度、強力、細度和整齊度要相互搭配合理，個別指標好不能代表整體品質好。