棉纤维的截面结构是由许多同心圆柱组成，由外至内依次为表皮层、初生层、次生层和中腔。
图为棉纤维微观结构示意图。
棉纤维微观结构图表皮层由蜡质、脂肪和果胶的混合物组成，表皮有深度为0.5μm的细丝状皱纹，具有防水和润滑作用。
初生层是纤维的初生细胞壁，厚度约0.12～0.28μm，占纤维重量的2.5%～2.7%。
由与纤维轴呈70 °左右倾角排列的网状原纤组成，对棉纤维的整体起约束和保护作用。
次生层是棉纤维的主体，占成熟棉纤维重量的90%。
次生层可以分为S1、S2、S3 三层，由初生层向内是结构紧密的S1 层，由与纤维轴呈20°～30°倾角排列的原纤组成，厚度约0.1μm。
S2 层是由同心环状排列的许多层纤维素巨原纤层组成，每日白天阳光使叶绿素将水与CO2结合成葡萄糖及低聚糖，到晚上输送至棉籽进入棉纤维细胞腔中，聚合成纤维素大分子，结晶成微原纤、巨原纤沉淀在腔内壁，形成一层。
逐日积累，称之为日轮层。
（当棉株经连续光照时，将连续沉淀，不形成日轮层）每层厚度0.12～0.25μm，随沉积日数不同，层数不同，S2 层厚度不同，一般累积35～55 日。
巨原纤与纤维轴呈20 °～35 °倾角螺旋排列，旋转方向周期性发生改变纤维全长可以达到五十多次，各日轮层间螺旋方向各异。
S2 层厚度约1～4μm，微原纤与原纤间形成空隙，使棉纤维具有多孔性。
次生层的最内层为厚度约0.1μm的S3 层，具有与S2 层相近的结构特征，但淀积有细胞原生质、细胞核干涸后的物质。
中腔是棉纤维停止生长后，胞壁内留下的空腔。
中腔的大小取决于次生层的厚度，未成熟棉纤维的中腔较大，过成熟棉纤维的中腔较小。
一般正常成熟白棉纤维中腔面积为纤维截面积的10%左右，彩色棉的中腔较大，为纤维截面积的30%～50%。