(1) 初生层。其外皮是一层极薄的蜡质与果胶的淀积层。外皮之内是纤维的初生胞壁。一般认为初生胞壁由原纤呈网状结构组成。原纤与纤维轴倾斜约70°，有时发现有呈直角的。初生层很薄，纤维素含量也不多。

(2) 次生层。次生胞壁占棉纤维的绝大部分。次生胞壁在棉纤维生长期间由外向内逐渐分层淀积，形成日轮。次生胞壁又可分为三层。外层S₁由微原纤紧密堆砌而成，微原纤与纤维轴呈倾角为25°~30°的螺旋状排列，而且不改变螺旋方向，在一层中，几乎没有空隙和孔洞；中层S₂是棉纤维的主体，全部由纤维素组成，微原纤与纤维轴的夹角约为25°，螺旋方向周期性地左右改变，一根纤维上这种反向可达50次以上；内层S₃中微原纤与纤维轴夹角大，且夹有非纤维素物质。

(3) 中腔。棉纤维的中空部分，其内留有少数原生质和细胞核残余，它对棉纤维颜色有影响。

棉纤维的初生层和次生层中均有缝隙孔洞。由于次生层中原纤不断改向的螺旋排列，使棉纤维吐絮干燥后形成天然转曲，其转曲即发生在螺旋改向处，但转曲方向和它并不一致。棉纤维成熟干燥后管状体即压扁转曲，截面呈典型的腰圆状。棉纤维压扁后，次生胞壁各个位置上的密度将发生变化，微原纤的集积方式也要随之改变，因此原纤的膨化能力和试剂的可及性均不一样。

棉纤维表面具有棱脊和沟槽相间的螺旋状条纹，螺旋角约为30°，棱脊的高度和距离约为0.5μm，长约10μm以上。一般认为是由于次生胞壁的原纤所引起的。