Włókno wełniane ma kształt cylindryczny. W przekroju można wyróżnić trzy warstwy: warstwę zewnętrzną, czyli okrywę zewnętrzną, składającą się ze zrogowaciałych łusek, warstwę środkową (korową), zbudowaną z rurowatych i zwartych komórek, oraz warstwę rdzeniową. Wełna pochodząca z owiec ras szlachetnych nie ma rdzenia. Łuski okrywy zewnętrznej umożliwiają spilśnianie się (zazębianie, łączenie) włókien. Spilśnianie włókien wełny następuje pod wpływem tarcia, podwyższonej temperatury, wilgoci oraz środków alkalicznych. Podczas spilśniania włókna tworzą zbitą masę i kurczą się. Rurowata warstwa korowa czyni wełnę złym przewodnikiem ciepła, gdyż w „rurach” gromadzi się powietrze, które jest dobrym izolatorem. Wyroby wełniane charakteryzują się więc dobrą izolacyjnością cieplną. W warstwie korowej może się również gromadzić woda, dlatego włókno wełniane jest silnie higroskopijne. Wełna jest najbardziej higroskopijna spośród wszystkich włókien. W normalnych warunkach klimatycznych zawiera ok. 17% wilgoci, natomiast może wchłonąć do 50%, nie robiąc wrażenia mokrej. Wyroby z wełny trudno się zwilżają, dlatego woda, spływając po nich, dopiero po dłuższym czasie powoduje ich nasiąkanie.
Włókna wełny nie są proste, lecz wyginają się w formy przypominające kształtem sinusoidy. Właściwość ta nosi nazwę karbikowatości. Jeżeli łuski wełny są drobne, liczne i półkoliste, wełna jest karbikowata, jeśli zaś łuski są płaskie i szerokie mówi się o wełnie falistej. Im włókno jest cieńsze, tym więcej karbików przypada na jednostkę długości włókna. Wełny cienkie, typu merynosowego, odznaczają się karbikowatością, wełny czesankowe, grubsze — falistością, natomiast wełny prymitywne są prawie proste. Karbikowatość ułatwia spilśnianie włókien. Karbiki przyczyniają się również do zwiększenia objętości powietrza zawartego we włóknie, co w konsekwencji powoduje wzrost jego izolacyjności cieplnej. Przekrój poprzeczny włókna wełny jest zbliżony do koła.
A Grubość wełny, podobnie jak długość, zależy od rasy owiec i warunków hodowli i wynosi 15 – 40 µm. Na podstawie grubości włókna klasyfikuje się wełnę na odpowiednie gatunki. Wełnę dzieli się na odzieżową (wełna cienka) i dywanową (wełna gruba). Wełnę odzieżową z kolei dzieli się na zgrzebną i czesankową. Wełny zgrzebne to wełny krótkie (co najmniej 4 cm), cienkie lub średniej grubości, karbikowate, służące do celów tkacko-sukienniczych, łatwo ulegające spilśnianiu. Wełny czesankowe są typem wełny długiej (co najmniej 7 cm), o dużej wytrzymałości, z połyskiem, o lekko falistym włóknie. Służą do wyrobu przędzy czesankowej i gładkich tkanin, których wykończenie nie podlega spilśnianiu.
Wytrzymałość włókien wełny na rozciąganie jest mniejsza niż bawełny. Włókna wełny wykazują dużą zdolność do wydłużania przy rozciąganiu. Włókno suche może ulec wydłużeniu do 50%, natomiast włókno wilgotne do 70%. Duża zdolność włókien do wydłużania przy rozciąganiu jest przyczyną łatwego odkształcania się wyrobów wełnianych. Jednakże dzięki sprężystości wełny wyroby te nie deformują się. Mimo to, przy praniu wyrobów wełnianych należy unikać ich wyciągania, ponieważ duże obciążenie wodą zawartą w mokrej wełnie może spowodować trwałe jej odkształcenie. Włókna wełny przesycone gorącą parą stają się podatne na formowanie. Pod wpływem działania pary i przy zwiększonym ciśnieniu można częściowo formować i utrwalać kształt nadany niektórym elementom wyrobów wełnianych.
Wełnę można odzyskiwać także ze starych tkanin, które w specjalnych maszynach rozszarpuje się na pojedyncze włókna. Surowiec taki określa się mianem wełny ponownej. Jest ona włóknem osłabionym, mającym uszkodzenia strukturalne i może być stosowana jako dodatek do wełny zgrzebnej.