الیاف پنبه توسط یک ساختار نازک و لایه بندی شده، یعنی کوتیکول پوشیده شده است. اجزای اصلی کوتیکول (مقادیر گرد بر حسب درصد وزن خشک فیبر) 0.6 موم، 0.9 پکتین، 1.3 پروتئین، دو پلی ساکارید غیر سلولزی، خاکستر و اجزای متفرقه هستند.
مواد پکتین استری شده کوتین و سوبرین اجزای ساختاری اصلی لایه مومی کوتیکول هستند. کوتین یک پلی استر نامحلول است که عمدتاً از اسیدهای چرب هیدروکسی C16 و C18 اشباع شده تشکیل شده است.
سوبرین از دو حوزه تشکیل شده است که قرار است به صورت متقاطع باشند، یعنی یک پلی آروماتیک (عمدتاً اسیدهای هیدروکسی سینامیک) و یک پلی آلیفاتیک (α-هیدروکسی اسیدها، عمدتاً 18-18-hydroxyacids) -9-enoic acid و octadec-9-ene-1، 18-dioic acid)
به ترتیب دامنه کوتین و سوبرین با هم، علیرغم هسته ای که عمدتاً از سلولز ساخته شده است، فیبر پنبه را یک رفتار آبگریز می کند.
در هسته پنبه، فیبرهای ابتدایی به دانه‌ها متصل می‌شوند و میکروفیبریل‌ها و دانه‌های بزرگ‌تری به نام ماکروفیبریل‌ها تشکیل می‌دهند.
مقالات مختلف ابعاد کمی متفاوت را برای این فیبریل ها گزارش می کنند، اما معمولاً فیبرهای ابتدایی 3.5-10 نانومتر عرض، میکروفیبریل ها 10-40 نانومتر و ماکروفیبریل ها 60-300 نانومتر هستند.
آرایش فضایی فیبرهای ابتدایی و سنگدانه های بزرگتر مورفولوژی و خواص یک الیاف را تعیین می کند و در پنبه بلوغ، آرایش این واحدهای ساختاری بسته به وضعیت رشد الیاف متفاوت است.
در تمام الیاف سلولزی طبیعی، مولکول‌ها به موازات یکدیگر قرار گرفته‌اند و به دور فیبر مارپیچی می‌شوند. زاویه مارپیچی در الیاف پایه حدود 8 درجه یا کمتر است که استحکام بالای آنها را توضیح می دهد.
الیاف پنبه دارای زاویه مارپیچی در حدود 20 درجه یا حتی بیشتر است، که توضیح می دهد که چرا پنبه بسیار بهتر از الیاف پایه کشیده می شود، اما استحکام کمتری دارد.
الیاف پنبه از نظر مورفولوژی ناخالص، یعنی پیچش، ضخامت دیواره سلولی، شکل مقطع، و غیره، و در ساختار ظریف آنها، یعنی جهت گیری فیبریل، تغییر شکل، تراکم بسته بندی میکروفیبریل ها و غیره، به طور قابل توجهی متفاوت است.
