形态特征

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头部发达，两侧有一对发达的眼。足着生于头部，特化为腕和漏斗，故称头足类。漏斗位于头部腹面，在头和躯干之间。原始种类具有外壳，现存种类则多是内壳或无壳。鳃为羽状，一对或二对，心耳和肾的数目和鳃一致。口腔具有颚片和齿舌。神经系统集中，感官发达。循环系统为闭管式。直接发育（无需变态）。

生理特征

神经系统与行为

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头足纲被认为是最聪明的无脊椎动物，因为它们有高度发展的知觉和较大的脑。它们的脑比腹足纲和双壳纲都来的大。除了鹦鹉螺之外，头足纲的表皮拥有一种特殊的色素细胞（en：chromatophore），使他们能够经由变色来进行沟通和伪装。 　　

此外头足纲的神经系统是无脊椎动物之中最为复杂的，在外套膜（mantle）中庞大的神经纤维成为神经生理学常用的实验材料。 　　

头足纲的视觉敏锐，实验证明普通的章鱼能够辨识亮度、形状、大小还有物体的垂直和水平方向。头足纲的眼睛更能够感应光线的极化平面。令人惊讶的是，这些能够变色的头足纲动物大都是色盲。当他们进行伪装的时候，能够依照他们所看见的背景，利用色素细胞改变皮肤的亮度和花纹。而改变颜色的时候使用的是彩虹色素细胞（iridophore）和白色素细胞（leucophores），这些细胞能够反映环境的光线。目前为止，只有一个种类的彩色视觉（en:color vision）得到证明，称为萤火鱿。

循环系统

头足纲拥有两个经由腮中的微血管来输送血液的腮心；一个经由身体的其他部分输送充氧血的单一系统心脏（single systemic heart）。 　　

和其它的软体动物一样，头足纲利用一种含铜离子的血青蛋白（hemocyanin）来运送氧气，而不是像鸟类或一般哺乳动物使用血红素。它们的血液缺氧时呈无色透明；接触空气之后时呈蓝色。

运动方式

头足纲的一般行动方式是利用喷射动力，充满氧气的水被吸入外套膜中的腮之后，肌肉收缩使空间减少，导致水从漏斗（hyponome）喷出，通常是背对着水喷出，并且能够用漏斗控制方向。这是一种相对用尾巴推进更为耗能的移动方式，相对效率随著体型增大而降低，这也使一些种类尽可能使用鳍和臂来推进。 　　

有一些种类的章鱼能够在海底行走，墨鱼和乌贼可以摆动外套膜上的翼状肌肉来移动。

繁殖与生命周期

除了少数例外，蛸亚纲的寿命很短且成长快速，大多数吃下的养分都被它们用来长大。大多数种类的雄性阴茎是一个用来将精囊输送到交接腕（hectocotylus）的生殖管（gonoduct）肌肉末端。而交接腕是用来将精囊输送给雌性。有一些种类没有交接腕，它们直接将较长的阴茎伸出外套膜来与雌性直接交配。此外他们行"单次繁殖"，也就是一生只生产一次。下完一整组的蛋之后便死亡。 　　

而鹦鹉螺亚纲则行“多次繁殖”，它们寿命较长，且一次只下少量的蛋。

演化