羊毛是细长的实心圆柱体，呈卷曲状，纤维的组织结构分三层，即鳞片层、皮质层和髓质层。

鳞片层：鳞片层是羊毛的表层，它的生长有一定的方向，由毛根指向毛尖，每一鳞片在毛根的一端与皮质层相连，另一端向外撑开着，一片片覆盖衔接。鳞片在羊毛上的覆盖密度，因羊毛品种存在着较大的差异。羊毛越细，鳞片越多，重叠覆盖的部分越长，鳞片多呈环状。羊毛越粗，鳞片越少，重叠覆盖的长度越短，鳞片多呈瓦楞状和鱼鳞状，相互重叠覆盖。由于鳞片层向外撑开并突出，若增加纤维之间的摩擦力，便相互牵制产生毡缩作用，在湿热条件下抱合力加强。鳞片层还能使羊毛有良好的光泽。鳞片结构坚韧，使羊毛具有抗摩损性和及抗污染性。

羊毛的主要成分为角蛋白,它由多种α-氨基酸残基构成,后者可联结成呈螺旋形的长链分子,其上含有羧基、胺基和羟基等，在分子间形成盐键和氢键等。长链之间由胱氨酸的二硫键形成的交键相联结。上述化学结构决定羊毛的特性。如毛纤维大分子长链受外力拉伸时由α型螺旋形过渡到β型伸展型，外力解除后又恢复到α型，则其外观表现为羊毛的伸长变形和回弹性优良。羊毛较强的吸湿能力与侧链上的一些基团有关。羊毛较耐酸而不耐碱，是由于碱容易分解羊毛胱氨酸中的二硫基，使毛质受损。氧化剂也可破坏二硫基而损害羊毛。

弯曲被广泛用做估价羊毛品质的依据，弯曲形状整齐一致的羊毛，纺成的毛纱和制品手感松软，弹性和保暖性好。细毛弯曲数多而密度大，粗毛的发毛呈波形或平展无弯。强伸度对成品的结实性有直接影响。强度指羊毛对断裂的应力；伸度指由于断裂力的作用而增加的长度。各类羊毛的断裂强度有很大差异。同型毛的细度与其强度成正比，毛愈粗其强度愈大。有髓毛的髓质愈发达，其抗断能力愈差。羊毛的伸度一般可达20～50%。弹性可使制品保持原有型式，是地毯和毛毯用毛不可缺少的特性。羊毛的毡合性和吸湿性一般较优良。光泽常与纤维表面的鳞片覆盖状态有关，细毛对光线的反射能力较弱，光泽较柔和；粗毛的光泽强而发亮。弱光泽常因鳞片层受损所致。