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。

棉纤维的内在品质指标主要有纤维长度、纤维细度、纤维强度和纤维成熟度等四项关键指标。

棉纤维长度

棉纤维长度是指伸直纤维两端的距离。纤维长度有不同的测定方法。用手扯尺量法测出的长度叫手扯长度；用分梳法测出的长度叫分梳长度；用棉纤维光电长度仪测出的长度叫光电长度；用大容量纤维分析仪测出的长度叫跨距长度，常用的是2.5％跨距长度，简称2.5％纤维跨长。
一般情况下，分梳长度＞手扯长度、光电长度＞2.5％纤维跨长。棉纤维长度与成纱强度关系密切，用较长的纤维纺纱，会增加纤维之间的抱合长度，使纱线在受外力作用时，纤维不易滑脱，成纱强度较高。

棉纤维细度

棉纤维细度是指纤维的粗细程度，其直接含义是纤维细胞的直径。由于棉纤维的直径难以直接测定，且衡量棉纱粗细的主要是重量细度，即单位重量的长度，因而常选用重量细度来描述纤维的粗细。现在常用气流仪测定纤维的细度，即利用气流原理，对纤维比表面积进行快速测定，并由此估计纤维的细度，用马克隆值表示。
纤维细度与成纱强度关系密切，由于棉纱由多根纤维抱合而成，纱线强度的高低，除决定于纤维自身强度外，还与单位纱线细度内的纤维根数、纤维之间相对滑移的程度和条干均匀度有关。纺高支纱，只能使用纤维较长、细度较好的原棉。

棉纤维强度

 棉纤维强度是指棉纤维抵抗拉伸断裂的强弱程度。在其他指标基本相同时，纤维强度与纱、布质量成正相关关系。在现代纺纱设备转速较高的情况下，纤维强度高，对降低纺纱中的断头率和提高生产效率，具有很重要的作用。

棉纤维成熟度

棉纤维成熟度是一项反映纤维胞壁加厚程度的重要指标。在纤维细胞直径相似的情况下，胞壁愈厚，成熟度愈高。棉花纤维的细度、马克隆值、强度以及染色特征等，都与成熟度有密切关系。

优质原棉纤维要求各主要物理性能指标必须协调，即纤维的长度、强力、细度和整齐度要相互搭配合理，个别指标好不能代表整体品质好。