En los cefalópodos el pie característico de los moluscos aparece junto a la cabeza, diversificado en varios tentáculos, desde 8 en los pulpos hasta los 90 que pueden tener los nautilos. En éste último no existen ventosas en los tentáculos.
Algunos de estos tentáculos (en coloideos) se han modificado en estructuras reproductivas llamadas espádices que cumplen el rol de introducir espermatóforos (sacos llenos de esperma) en la cavidad paleal de la hembra. La concha tiende a reducirse, hacerse interna o desaparecer, según la especie. Cuando tienen una concha bien desarrollada, está dividida en cámaras separadas por septos y el animal habita la última cámara (la más reciente). En los coloideos, cuando existe, es interna y se divide en 3 zonas; desde la región caudal a la cefálica estas son rostro, fragmocono (tabicado) y proóstraco, cada uno con desarrollo variable en cada grupo. En nautiloideos es externa, planoespiral y tabicada en su totalidad.
Las jibias o sepias, junto a los nautilos, siguen el mismo sistema natatorio que sus antepasados, llenando de gas ciertas partes de su concha para flotar. Los calamares nadan por medio de la flotación dinámica, similar a los tiburones, con una propulsión a reacción de agua muy afinada. El resto de cefalópodos que viven alejados de la superficie desarrollaron un sistema químico de flotación, llenando de compuestos amoniacales o aceites los espacios de su cuerpo; al ser éstas sustancias menos densas que el agua, flotan.
Los cefalópodos poseen células pigmentarias sobre el manto llamadas cromatóforos. Dichas células poseen pigmentos que se expanden o condensan a voluntad por medio de una contracción muscular controlada por el sistema nervioso. De esta manera pueden cambiar de color en cuestión de segundos para mimetizarse con el espacio circundante y pasar desapercibidos. También usan esta capacidad para comunicarse entre ellos por medio de su coloración y gracias a su aguda visión.
Poseen un complejo sistema nervioso, con unos ganglios alrededor del esófago que forman un auténtico cerebro. El cerebro se encuentra dividido en dos porciones, llamadas masa supraesofágica y masa subesofágica según su posición respecto al esófago, aunque ambas partes están unidas por conectivos. Un rasgo particular y exclusivo de los cefalópodos es que el cerebro se encuentra rodeado por una masa o caja cartilaginosa en un "intento" evolutivo de formar un cráneo. Muchos cefalópodos tienen comportamientos de huida rápidos que dependen de un sistema de fibras nerviosas motoras gigantes que controlan las contracciones potentes y sincrónicas de los músculosdel manto, lo que permite la salida a presión del agua de la cavidad paleal. El centro de coordinación de este sistema es un par de neuronas gigantes de primer orden (formadas por la fusión de ganglios viscerales) que dan a neuronas gigantes de segundo orden, y estas se extienden hasta un par de grandes ganglios estrellados. De estos ganglios estrellados unas neuronas gigantes de tercer orden inervan las fibras musculares circulares del manto. Neurólogos de todo el mundo han experimentado con pulpos a lo largo del siglo XX y se ha detectado en ellos una inteligencia superior a cualquier otro invertebrado; son capaces de encontrar la salida de un laberinto, abrir botes e incluso aprender comportamientos de sus congéneres.
El ojo de los cefalópodos es un órgano análogo al de los vertebrados, de distinto origen evolutivo y embrionario, pero por convergencia ambos son muy parecidos. Los cefalópodos poseen el ojo más desarrollado de todos los invertebrados e incluso rivalizan con el de los vertebrados.
Tienen un cuerpo musculoso y flexible, propiedad que se intensifica en los pulpos, los cuales son capaces de esconderse en espacios 10 veces más pequeños que su cuerpo.
Poseen oído a bajas frecuencias, como los mamíferos marinos, que les permite localizar a sus depredadores más allá de su campo visual.
Segregan un líquido negruzco, la tinta, con la que enturbian el agua con objeto de ocultarse. La tinta es un pigmento que se almacena en la bolsa de la tinta situada encima del recto y puede ser expulsado a través del sifón.
En el metabolismo de este grupo es destacable la importancia de la obtención de energía a partir de la metabolización de proteínas, lo que no es una gran ventaja evolutiva frente a otros grupos de su entorno como los peces, que oxidan las grasas de su tejido adiposo. Aun así esto parece ser es una de las características que les ha permitido conquistar hábitats tan exclusivos como son las grandes profundidades, donde a ejemplares de gran tamaño son predados por calderones, zifios y cachalotes. También esta característica metabólica está relacionada con las propiedades nutritivas cuando es de este grupo es utilizado en alimentación humana: bajo contenido graso, alto contenido proteico, y en ocasiones sabor amoniacal por la presencia de bases nitrogenadas, restos de la mencionada metabolización proteica
