Le cellule di Spirogyra contengono cloroplasti, un grande vacuolo, un nucleo cellulare, fili citoplasmatici che mantengono il nucleo in posizione e due pareti cellulari. Sono piante semplici, senza cellule specializzate per assorbire acqua, trasporto di sostanze nutritive o riproduzione.
La caratteristica per cui il genere è chiamato è la catena a spirale di cloroplasti che riempie quasi ogni cellula. I cloroplasti si avvolgono attorno al vacuolo centrale in cui il nucleo cellulare è sospeso da filamenti citoplasmatici. Il vacuolo viene riempito d'acqua e mantiene la cella gonfia, quindi i cloroplasti hanno più area superficiale per l'assorbimento della luce.
Gli spirogyra sono considerati piante unicellulari anche se in genere si trovano in lunghi filamenti fluttuanti. Questo perché sebbene le cellule si raggruppino insieme, non vi è alcuna comunicazione o trasporto tra le cellule, come avviene negli organismi multicellulari come alberi o erba. Ogni cellula di spirogira è un'unità a sé stante.
I caratteristici e sottili filamenti verdi danno agli spirogyra i nomi comuni "trecce di sirena" e "seta d'acqua". Le cellule di Spirogyra si dispongono da un capo all'altro, con i filamenti che hanno solo una cellula spessa. Come nelle piante più complesse, la parete cellulare esterna è fatta di cellulosa, che conferisce ai fili un rivestimento esterno resistente; anche se, la loro magrezza li rende piuttosto delicati. La seconda parete interna è fatta di pectina, una molecola organica fibrosa comunemente presente nella frutta.
