Hlavonožci měří od jednoho centimetru do mnoha metrů (i přes 20 m).
Mají dvoustraně souměrné tělo a chapadla.
Chapadel je u jednoduchých druhů, jako je loděnka, okolo 30 až 90 a jsou krátké. Vyspělé druhy jich mají méně, zato jsou delší a mají přísavky. Decapodiformes (desetiramenatci) mají 8 kratších chapdel a 2 delší a Octopodiformes (chobotnice) mají 8 stejně dlouhých. Chobotnice mohou přijít o několik chapadel, která jim znovu dorostou.
Pohybují se třemi způsoby, buď pomocí vlnění ploutevního lemu nebo chapadel nebo vytlačování vody ze sifonu. 
Tento tryskovitý pohyb umožňuje některým menším druhům vyskakovat nad hladinu.Dýchají žábrami.
V případě ohrožení vypouštějí hlavonožciinkoustový oblak, který je skryje a mohou tak nepozorovaně uplavat. Je buď černý nebo hnědý.
Dnes žijící hlavonožci se dělí se na skupiny čtyřžábří (loděnka) a dvoužábří (chobotnice, oliheň.
Dříve měli všichni hlavonožci svou schránku, dnes ji má jen málo zástupců, např. loděnka.
Začala se přemisťovat dovnitř těla. Sépie má sépiovou kost, další desetiramenatci jen me (schránka) a chobotnice nemají zcela nic.
Jejich mozek je obvykle krytý chrupavčitou schránkou, která jej chrání před poškozením.