És el principal constituent de les parets cel·lulars dels vegetals superiors (dels quals representa, en pes, la tercera part) i el compost orgànic natural més abundant. Identificada vers el 1837 pel francès Anselme Payen (París 1795-1871), semblà als primers investigadors que era en íntima associació química amb uns altres constituents de les parets cel·lulars.
Tècnicament, hom qualifica de cel·luloses les fibres completament blanques obtingudes en sotmetre les matèries vegetals a determinats tractaments controlats de purificació, amb inclusió d’altres substàncies, com les hemicel·luloses, de propietats físiques i químiques anàlogues a les de la cel·lulosa. Han estat establertes i admeses internacionalment unes normes de preparació i purificació d’una “cel·lulosa normal pura”, model de referència per al coneixement de les propietats tècniques de les cel·luloses. La cel·lulosa normal és inerta, pràcticament insoluble en aigua, resistent a la hidròlisi i a l’oxidació i absorbent de la humitat atmosfèrica segons isotermes que presenten el fenomen d’histèresi. Per tractament amb algunes sals (com el reactiu de Schweitzer, el tiocianat de calci o el iodur de liti) dóna solucions col·loidals, o també gels, bé que, segons la manera de conduir el tractament, hom pot aconseguir només una acció superficial apergaminadora. Hom la fa soluble, també, per tractament amb disulfur de carboni (viscosa).
Hom coneix cinc formes polimorfes de la cel·lulosa, designades per cel·luloses I, II, III, IV i V. La primera correspon a la cel·lulosa natural; la segona, a l’obtinguda per regeneració d’aquella després d’ésser sotmesa a tractaments alcalins; les restants, a formes que resulten de tractaments tèrmics específics. L’estructura molecular de la cel·lulosa correspon a la d’un alt polímer de condensació del monòmer cel·lobiosa, disacàrid format per dues restes de β-glucosa. La longitud d’aquesta macromolècula és diferent segons l’origen de la cel·lulosa i els tractaments a què hagi estat sotmesa. Per a la cel·lulosa del rami, hom accepta la xifra de 300.000 com a pes molecular més probable de la macromolècula de 0,5 μm de longitud, i per a la del cotó, la d’1 milió, amb una longitud pròxima a 2 μm. Existeix una estructura supramolecular de les fibres cel·lulòsiques naturals i artificials, que presenten dominis cristal·lins i regions amorfes. Els resultats experimentals indiquen l’existència d’agrupacions d’un cert nombre de molècules formant complexos regulars de propietats cristal·lines, on les cel·les elementals són prismes monoclínics. L’estructura amorfa, predominant en les cel·luloses tècniques, pot variar des d’un límit en el qual les cadenes conserven encara algun ordre fins a un altre de completament desordenat, amb les cadenes cabdellades sobre elles mateixes. Algunes propietats i la reactivitat química són vinculades principalment a la fase amorfa, mentre que unes altres ho són a la fase cristal·lina. Els índexs tècnics, especialment els de natura mecànica, depenen de la raó entre les quantitats d’ambdues fases.
Les unitats biològiques de la cel·lulosa natural són les microfibril·les elementals, entre les quals hi ha fissures submicroscòpiques i espais buits, on tenen lloc els fenòmens vitals de creixement i la iniciació de les reaccions químiques. Actualment hom accepta que hi ha una entitat superior, la fibril·la, que determina la fibril·lació, bàsica en la refinació de les pastes per a la fabricació de paper. Hom distingeix en la cel·lulosa, segons el tractament que l’ha originada, les fraccions: α-cel·lulosa, fracció insoluble que resulta del tractament de la primera matèria amb solució d’hidròxid de sodi i que és cel·lulosa gairebé pura constituïda per mescles moleculars de grau de polimerització superior a uns 500; β-cel·lulosa, fracció recuperada precipitant amb àcid els líquids filtrats procedents del tractament de preparació de les α-cel·luloses, constituïda principalment per hemicel·luloses; γ-cel·lulosa, fracció no recuperable per la precipitació àcida anterior, formada principalment per oligosacàrids; i la denominada holocel·lulosa, producte resultant del tractament de la primera matèria amb diòxid de clor, constituïda per mescles de cel·lulosa i hemicel·luloses. El grau d’encolatge, la resistència de la textura, la transparència i moltes altres propietats del paper són molt influïts pel percentatge total d’hemicel·luloses.
Rep el nom de cel·lulosa noble la cel·lulosa industrial que ha estat sotmesa a una sèrie de processos de blanqueig i de rentatge amb solucions alcalines diluïdes i amb aigua. Les pastes cel·lulòsiques nòrdiques i, sobretot, les cel·luloses de plantes de creixement anual han d’ésser sotmeses a processos d’ennobliment que eleven el contingut d’α-cel·lulosa, disminueixen el d’hemicel·luloses i altres impureses i eliminen les oxicel·luloses i les hidrocel·luloses, i que varien segons les cel·luloses de partida.