Зрелое хлопковое волокно представляет собой элементарную вытянутую растительную клетку и под микроскопом имеет вид сплющенной трубочки со штопорообразной извитостью, суживающейся по концам (к верхнему — в большей степени, к нижнему — в меньшей). Верхний конец волокна конусообразный, наглухо закрыт. Нижний конец, примыкавший к семени, оборван и имеет открытый канал.
Поверхность волокна покрыта тонким слоем жировосковых веществ — первичной стенкой, или кутикулой. Этот слой выполняет защитную роль и обладает достаточно высокой химической стойкостью, малыми смачиваемостью и водопроницаемостью, облегчает скольжение волокон в процессе их прядения. Первичная стенка имеет небольшую толщину (около 0,1 мкм), причем верхний слой ее упакован менее плотно, чем внутренний, вследствие расширения поверхности волокна в процессе его роста. Фибриллы целлюлозы в первичной стенке не имеют строгой ориентации.
За кутикулой расположена вторичная стенка хлопкового волокна. Этот слой является основным, содержит наибольшее количество целлюлозы. Вторичная стенка состоит из параллельно ориентированных и плотно упакованных фибрилл, располагающихся по спирали вокруг оси волокна в виде концентрических цилиндрических слоев (колец роста).Надмолекулярная структура стенки волокна на разных ее участках неоднородна. На поперечных срезах волокон заметны три зоны, различающиеся микроструктурой и отношением к действию реагентов. Зоны А соответствуют местам с большей плотностью фибриллярной структуры и, следовательно, наименьшей доступностью для реагентов. Зона В имеет хорошо ориентированную структуру концентрических слоев, но больше изменяется под действием реагентов. Для зоны С характерна неорганизованная и более рыхлая структура, поэтому волокно здесь легче поддается воздействию реагентов. Внутри волокна проходит канал, который у зрелого волокна заполнен воздухом.
Внешний вид волокон изменяется в зависимости от степени зрелости (рис. 2). Зрелые волокна имеют хорошо развитые стенки, вследствие чего обладают высокими механическими свойствами; у перезрелых волокон почти округлая форма, небольшой канал, они обладают большей хрупкостью; стенки незрелых волокон развиты слабо, волокна лентообразные, малопрочные, плохо окрашиваются.
Для волокна хлопка установлено 11 групп зрелости, характеризуемых коэффициентом зрелости — от 0 до 5 баллов.
Волокна высшей степени зрелости (перезрелые) имеют коэффициент зрелости 4,5—5 баллов, незрелые волокна — 0—1 балл. Основная масса хлопка оценивается 2,5—3,5 балла.
Зрелое хлопковое волокно имеет закрученность (извитость) величиной 40—120 извитков на 1 см. Извитость повышает цепкость волокна и способствует образованию прочной нити при прядении.
Длина хлопковых волокон колеблется в довольно широких пределах — от 1 до 55 мм. Хлопок длиной менее 20 мм непригоден к прядению, поэтому его называют непрядомым. В зависимости от длины волокон хлопок подразделяют на коротко-волокнистый (20—27 мм), средневолокнистый (28—34 мм) и длинноволокнистый (35—55 мм). Длина волокна хлопка определяет способ переработки его в пряжу и свойства получаемой пряжи. Длинноволокнистый хлопок имеет наименьшую толщину не более 20 мкм (125—167 мтекс) и является тонковолокнистым, толщина средневолокнистого хлопка 20—23 мкм (167— 200 мтекс), коротковолокнистого — более 23 мкм (222— 333 мтекс), этот хлопок грубоволокнистый. Чем длиннее хлопковые волокна, тем больше они извиты.