Els tentacles són nombrosos i retràctils en els tetrabranquis, i en els dibranquis són quatre parells (en els octòpodes o octobraquis), no retràctils i totalment o parcialment coberts de ventoses internes i, sovint, d’ungles còrnies; la conquilla dels tetrabranquis és externa; té forma d’espiral i és dividida en septes, el darrer i més gran dels quals és ocupat per l’animal, i els altres són plens d’aire. La conquilla dels dibranquis és interna (a excepció de la de les espírules, que és semblant a la dels tetrabranquis), i ha sofert una reducció progressiva i alternativa, d’una o altra part de la conquilla primitiva, des de les formes fòssils a les actuals, en algunes de les quals ha desaparegut completament (octòpodes). L’embut comunica la cavitat del mantell amb l’exterior, i a través seu passa el corrent d’aigua expulsat d’aquesta cavitat i que transporta a l’exterior els residus fecals i respiratoris i els productes sexuals; aquest corrent és utilitzat també per a la propulsió de l’animal.
Organització dels cefelòpodes. Talls sagitals. A, nàutil; B, sípia. 1, cirrus tentaculars; 2, mandíbules; 3 i 15, ràdula; 4 i 19, conquilla; 5, sifó; 6, septes de la coquilla; 7, celoma; 8, i 20, estòmac; 9 i 21, ovari; 10 i 26, ventrícle cardíac; 11, pap, 12, brànquies; 13, braços o tentacles peribucals; 14 i 22, embut; 16 i 17, ganglis nerviosos; 18, esòfag; 23, aorta; 24, cavitat palleal; 25, intestí; 27, bossa de la tinta; 28, sac unitari
En la locomoció, bé que d’una manera menys efectiva, empren les aletes i els braços locomotors (tentacles dels octòpodes). Les vísceres són simètriques i recobertes pel mantell; la boca s’obre enmig dels braços i és proveïda de mandíbules còrnies en forma de bec i, a vegades, d’una ràdula; un esòfag condueix a l’estómac, a continuació del qual hi ha un intestí, que s’encorba i acaba en l’anus. Les glàndules annexes al tub digestiu són les salivals, les verinoses (en els dibranquis), el fetge i els diverticles pancreàtics; la bossa de la tinta, que secreta una substància utilitzada en la defensa i l’amagament, s’obre al final de l’intestí. Les brànquies, pinnades, són en nombre d’un parell (en els dibranquis) o de dos parells (en els tetrabranquis), als quals corresponen dues o quatre aurícules cardíaques; el ventricle és sempre únic. La sang de les brànquies arriba al cor i en surt per l’aorta i les artèries visceral i genital. El celoma és reduït a la cavitat pericàrdica i al gonocel; els ronyons són sacciformes, en nombre d’un o dos parells, segons el nombre de brànquies; les glàndules pericàrdiques semblen ésser de secreció interna.El sistema nerviós és complex, i el cervell és, juntament amb el dels insectes, el més evolucionat dels invertebrats. Tenen els ganglis típics dels mol·luscs (cerebrals, pedis, pleuroviscerals, branquials, etc), però són més voluminosos i formen una massa compacta periesofàgica. Els ulls són molt desenvolupats i permeten una visió semblant a la dels mamífers; són protegits per una càpsula cartilaginosa que recobreix també els ganglis cerebrals; al cap hi ha els òrgans estàtics, olfactoris i tàctils, i a la boca, els gustatius. Els cromatòfors dèrmics són abundants i permeten canvis de coloració ràpids i altament críptics. Alguns gèneres abissals tenen també òrgans lluminosos. Els sexes són separats, i sol haver-hi dimorfisme sexual; els ous fecundats són disposats en raïms o masses compactes, sovint sobre el fons; el desenvolupament és directe.
Alguns mascles de dibranquis tenen un braç modificat, anomenat hectocòtil, que es desprèn del cos i penetra en la femella, a la qual transfereix un espermatòfor. Els cefalòpodes són exclusivament marins i estenohalins, pelàgics o bentònics, molts d’ells abissals, alguns, cosmopolites. Gairebé tots són carnívors i depredadors i s’alimenten principalment de crustacis, i són depredats en especial per cetacis i pinnípides; alguns atenyen dimensions excepcionals, i gairebé tots formen part important de l’economia pesquera.