Les cellules de Spirogyra contiennent des chloroplastes, une grande vacuole, un noyau cellulaire, des brins cytoplasmiques maintenant le noyau en place et deux parois cellulaires. Ce sont des plantes simples, sans cellules spécialisées pour absorber l'eau, transporter les nutriments ou reproduction.
La caractéristique pour laquelle le genre est nommé est la chaîne en spirale de chloroplastes qui remplit presque chaque cellule. Les chloroplastes s'enroulent autour de la vacuole centrale dans laquelle le noyau cellulaire est suspendu par des brins cytoplasmiques. La vacuole est remplie d'eau et maintient la cellule gonflée, de sorte que les chloroplastes ont plus de surface pour l'absorption de la lumière.
Les spirogyres sont considérés comme des plantes unicellulaires même s'ils se trouvent généralement dans de longs filaments flottant librement. En effet, bien que les cellules se regroupent, il n'y a pas de communication ni de transport entre les cellules, comme c'est le cas dans les organismes multicellulaires comme les arbres ou les graminées. Chaque cellule de spirogyra est une unité en soi.
Les fins filaments verts distinctifs donnent à la spirogyre les noms communs de « tresses de sirène » et de « soie d'eau ». Les cellules de Spirogyra s'arrangent bout à bout, les filaments n'ayant qu'une seule cellule d'épaisseur. Comme dans les plantes plus complexes, la paroi cellulaire externe est faite de cellulose, ce qui donne aux brins un revêtement externe résistant; bien que leur minceur les rende plutôt délicats. La deuxième paroi interne est constituée de pectine, une molécule organique fibreuse que l'on trouve couramment dans les fruits.
