棉纤维是由棉花的胚珠（将来会发育成棉籽）表皮上的细胞伸长加厚而成的。一个细胞就长成一根纤维，它的一端着生于棉籽表面，另一端成封闭状。棉籽上长满了棉纤维，这就称为籽棉。
原棉按长度分为“细绒棉”和“长绒棉”。
细绒棉为陆地棉种，纤维密度和长度中等，多为洁白或乳白。在我国种植的绝大多是细绒棉，产量高，市面上的原棉多为细绒棉。长绒棉为海岛棉种，比细绒棉更细更长，多为乳白或淡棕黄，富有丝光，是用于纺制高档和特种棉纺品的原料。目前处于供不应求的状态，我国长绒棉的主要生产在新疆。
一般来说，纤维长度越长，且长度整齐度越高，短绒越少，可纺纱越细，纱线条干越均匀，强度越高，且表面光滑，毛羽少，染色色泽越好。
区分细绒棉和细绒棉的方法就是观察其纤维的长度。细绒棉的手扯长度平均为23~33mm，长绒棉的手扯长度平均为33~45mm。可以直接扯原棉观察，已经纺成纱的可以将纱线逆向解开来扯出纤维观察。
棉纤维的主要成分是纤维素，纤维素是天然高分子化合物，化学结构式为
。正常成熟的棉纤维纤维素含量约为94%，此外含有少量多缩戊糖、蜡质、蛋白质、脂肪、水溶性物质、灰分等伴生物。棉蜡使纤维更高光滑，减少摩擦，具有良好的适宜于纺纱的表面性能，但在棉纱、棉布漂染前要经过煮炼，除去棉蜡，以保证染色的均匀。糖分含量较多分棉纤维在纺纱过程中容易绕罗拉、绕皮辊等。过去棉纺厂采用蒸棉稀释糖分，或用糖化酶与鲜酵母的水溶液喷洒以降低糖分。目前采用由润滑剂、抗静电剂、乳化剂等组成的消糖剂喷洒棉纤维来解决这个问题。
由于棉纤维的主要组成物质是纤维素，所以它较耐碱而不耐酸。酸会促使纤维素水解，使大分子断裂，从而破坏棉纤维。稀碱溶液在常温下处理棉纤维不发生破坏作用，但会使棉纤维膨化。棉纤维在一定浓度的氢氧化钠溶液或液氨中处理后，纤维横向膨化，从而截面变圆，天然转曲消失，使纤维呈现丝一般的光泽。如果膨化的同时在给予拉伸，则在一定程度上可改变纤维的内部结构，从而提高纤维强力，这种处理方法称为“丝光”。
新型棉花：彩棉
是采用现代生物工程技术培育出来的一种在棉花吐絮时纤维就具有天然色彩的新型纺织原料。彩棉在加工过程中未使用化学物质处理，仍旧保留了天然纤维的特点，彩棉色彩来源于天然色素，其中个别色素（绿、灰、褐色）遇酸会发生氧化。现有彩棉颜色：红、黄、蓝、棕、灰、紫、褐等
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