Тело кальмара состоит из головы, ноги и туловища. Нога видоизменена и частично превратилась в щупальца с присосками. Щупальца смещены на голову и окружают рот, часто вооружённый клювовидными челюстями. Часть ноги преобразована в особый двигательный аппарат — воронку, которая нижней расширенной частью обращена в мантийную полость.
Вода периодически поступает в мантийную полость. При смыкании края мантии с туловищем моллюска с помощью хрящевых запонок мантийная полость с силой выталкивается через суженную часть воронки. При этом животное получает толчок в противоположную сторону. Таким образом, для головоногих моллюсков характерен реактивный способ движения. Он даёт им возможность развивать скорость до 50 км в час, позволяющую преследовать косяки рыб и спасаться от врагов.
Дыхание у головоногих моллюсков жаберное. Кровеносная система почти замкнутая, с сильно развитой сетью капилляров.
Хорошо развит головной мозг, защищённый хрящевой капсулой, и органы чувств. Головоногие моллюски обладают острым зрением и обонянием. Поведение у них сложное. Головоногие моллюски имеют разнообразные приспособления для защиты. В покровах у них есть особые пигментные клетки, позволяющие мгновенно изменять окраску в соответствии с фоном грунта, что делает их незаметными.
Раздражённые осьминоги краснеют или чернеют. Спасаться от врагов им помогает содержимое чернильного мешка, которое животное в случае опасности выбрасывает в воду. Чернила в течение почти 10 минут сохраняют очертания животного. Когда хищник нападает, чернильная бомба взрывается, окутывая хищника тёмным облаком. Совершенство нервной системы и сложные формы поведения головоногих моллюсков оправдывают данное им учёными название "приматы моря".
Головоногие моллюски — раздельнополые моллюски — раздельнополые животные с внутренним оплодотворением. Оплодотворённые яйца они откладывают на подводные растения. У некоторых видов наблюдается забота о потомстве. Развитие у головоногих моллюсков прямое.