由许多β-D-吡喃式葡萄糖通过 1→4苷键联接形成的线型高聚物。分子式为(C6H10O5)n。n为聚合度，随原料种类变化，天然纤维素的平均聚合度为7000～10000（木材纤维素约为10000）。纤维素分子链沿着链长方向彼此近似平行地排列着，借分子间的醇羟基形成强有力的氢键聚集成微纤维。排列整齐紧密的部分为纤维素的结晶区；排列不整齐、较松散的部分为纤维素的无定形区。1974年J.布莱克韦尔根据纤维素X -射线图的电子计算机计算值和实测值以及填充分析，提出纤维素内部能量最小时分子链的形态和单位晶格内的排列情况。1978年又提出了天然纤维素（纤维素Ⅰ）单位晶格结构图（图1）。不论来源于何种植物,纤维素都具有同样的化学结构。
纤维素的性质不仅取决于它的分子结构，而且取决于它的超分子结构。如它具有苷键，在氢离子的催化作用下，可以水解成D-葡萄糖；但由于超分子结构的影响，在稀酸条件下，只能在局部区域（无定形区）先行水解。在浓酸条件下则纤维素先溶解，加水稀释并加热后，才能达到完全水解的目的。
木材中的纤维素与半纤维素、木质素共存。由于木材高度木质化，从木材中分离纤维素时需先脱除木质素。实验室条件下，一般采用氯乙醇胺法、酸性亚硫酸盐法或过醋酸法。用这些方法处理所得的絮状物，其中含有纤维素和半纤维素，总称综纤维素。用碱液除去其中半纤维素后，保留下来的就是纤维素。工业上常用硫酸盐法或酸性亚硫酸盐法脱去木质素。
木材纤维素除用作造纸原料外，还可以制成多种纤维素酯类和醚类衍生物，如纤维素与硝酸反应生成纤维素硝酸酯，是制造炸药、电影胶片、清漆、塑料等的重要原料；纤维素与冰醋酸和醋酐反应生成纤维素醋酸酯，是制造阻燃电影胶片、醋酸纤维、清漆、塑料等的原料；碱纤维素与二硫化碳反应生成纤维素黄原酸酯，是制造粘胶纤维和玻璃纸的原料；碱纤维素与氯乙酸反应生成的羧甲基纤维素醚，胶粘性能比淀粉大 8倍多，是造纸、纺织等部门广泛应用的浆料。
