头发是一种细丝，主要由蛋白质构成，头皮上一根典型头发的宽度约为 0.1 毫米（100 微米）。这里说的是发丝横截面的宽度，而不是长度。微米是毫米的千分之一。

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美国国家纳米技术计划给出的头发宽度为 8 万–10 万纳米，即 80–100 微米。纳米是微米的千分之一。这里所用的 100 微米，处于该范围的上限。

头发的粗细因人而异，差别很大。一项 2014 年针对头皮毛发的研究显示，成年人头发的宽度约为 20–180 微米，也就是说最粗的头发宽度大约是最细头发的 9 倍。科学家通过显微镜和激光仪器测量头发的宽度。

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头发的主要成分是角蛋白，一种坚韧的蛋白质。将头发横向切开，可以看到三层结构：最中心是髓质，这是一处结构疏松的区域；髓质外面是皮质层，头发的大部分质量都集中在皮质层中。

皮质层由纺锤形细胞构成，这些细胞直径约 1–6 微米，长约 50–100 微米，沿头发方向排列。皮质层外面是表皮层，由扁平的死细胞构成，如鳞片般层层重叠，起保护作用。每个表皮细胞的厚度只有约 0.5 微米。头皮上的头发通常可以长到约 90 厘米长，大约是其自身宽度的 9000 倍。

对世界各地人群的比较研究发现，不同族群的头发宽度存在很大差异。平均而言，亚裔和非裔人群的头发比欧裔人群的头发更粗，其中亚裔头发最粗。

头发的宽度还取决于测量的方向，因为大多数头发的横截面并非正圆形，而是椭圆形，只是有些人的头发更扁一些。直发的横截面往往最接近圆形，而卷曲得很紧的头发则最扁。即使是同一根较长的头发，其形状沿长度方向也会发生变化：一项研究发现，头发越靠近发根，往往越圆、越细。