Тело у осьминогов короткое, мягкое, сзади овальное. Ротовое отверстие расположено в месте, где сходятся его щупальца, а анальное отверстие открывается под мантией. Мантия напоминает морщинистый кожаный мешок. Рот осьминога снабжён двумя мощными челюстями, похожими на клюв попугая. В глотке имеется тёрка (радула), которая перетирает пищу.
Укус ядовитого синекольчатого осьминога Hapalochlaena lunulata может оказаться для человека смертельным.
Голова несёт восемь длинных щупалец — «рук». «Руки» соединены между собой тонкой перепонкой и имеют от одного до трёх рядов присосок. На всех восьми щупальцах взрослого осьминога их около 2000, каждая из которых обладает держащей силой около 100 г, причём, в отличие от созданных человеком, присоски у осьминога требуют усилий при удержании, а не при присасывании, то есть они удерживаются только мышечным усилием.
У осьминога три сердца: одно (главное) гонит голубую кровь по всему телу, а два других — жаберных — проталкивают кровь через жабры.
Некоторые виды осьминогов ядовиты. Синекольчатые осьминоги, обитающие у западных берегов Тихого океана, относятся к числу самых ядовитых животных мира.
У осьминогов есть необычная способность — благодаря отсутствию скелета они могут менять форму. Например, некоторые осьминоги во время охоты распластываются на дне, маскируясь под камбалу. Известна способность осьминогов проникать через удивительно маленькие отверстия.