Талломы спирогиры имеют размер от нескольких миллиметров до десяти сантиметров и состоят из одного ряда одинаковых цилиндрических клеток, каждая из которых способна к росту и делению. У спирогиры, живущей в проточной воде, развиваются ризоиды – лишенные хлоропластов выросты клетки разнообразной формы и степени разветвленности, с утолщенной оболочкой. Внутренний слой клеточной стенки спирогиры состоит из целлюлозы, наружный – из пектиновых веществ, образующих слой слизи, как бы укутывающей всю нить и делающей спирогиру скользкой и шелковистой на ощупь.
В клетке этих водорослей хорошо видны лентовидные спирально закрученные зеленые хлоропласты, расположенные в постенном слое цитоплазмы. Плотность витков и положение хлоропластов варьирует в зависимости от условий среды: при неблагоприятных условиях их рост отстает от роста клетки, и количество оборотов резко снижается. Крупное ядро спирогиры с хорошо заметным ядрышком расположено в центре клетки. Оно окружено слоем цитоплазмы и как бы подвешено на цитоплазматических тяжах, отходящих от постенной цитоплазмы.
Вегетативное размножение спирогиры происходит при случайном разрыве или распадении нити на отдельные фрагменты при неблагоприятных условиях. Ядра клеток спирогиры гаплоидны, двойной набор хромосом присутствует только в зиготе, которая образуется при слиянии протопластов вегетативных клеток соседних нитей – конъюгации. При прорастании зиготы происходит редукционное деление.
Нити спирогиры, переплетенные между собой и покрытые общей слизью, устилают большие площади дна рек и ручьев.