Os cefalópodes apresentam um corpo com simetria bilateral. Na cabeça encontram-se olhos bem desenvolvidos, a boca redonda, com um bico quitinoso e a rádula, rodeada por braços e tentáculos, que são uma modificação do pé dos moluscos. A concha é produzida por glândulas presentes numa "prega" da pele, chamada de manto, que envolve todo o animal. A pele contém células pigmentadas, chamadas cromatóforos, que mudam de cor para efeitos de comunicação e camuflagem; esta mudança de cores é dada por ações nervosas diretas. Os estatocistos são os órgãos de equilíbrio.
São animais extremamente rápidos, tendo desenvolvido um sistema de propulsão na forma de jato, expelindo água da cavidade paleal para o exterior através dum tubo em forma de funil, o sifão.
A concha está ausente nos polvos, é interna nos chocos e lulas e é externa no nautilus. No argonauta, a fêmea em época de reprodução segrega uma concha externa. As lulas e polvos apresentam a chamada "glândula de tinta". Quando o animal é atacado, ele elimina o conteúdo preto da glândula, que o envolve em uma nuvem escura e lhe permite fugir do inimigo. Essa tinta é o famoso nanquim utilizado por pintores orientais.
Conhecem-se cerca de 800 espécies atuais de cefalópodes e duas importantes sub-classes de cefalópodes fósseis, incluindo os amonóides desaparecidos na extinção K-T.
Os sexos são separados e a fecundação ocorre dentro da cavidade paleal da fêmea, onde o macho coloca espermatóforos com um braço modificado, chamado hectocótilo. O desenvolvimento é direto. Estes animais geralmente se reproduzem apenas uma vez na vida, morrendo após a fecundação. Em algumas espécies, a fêmea protege os ovos sem se alimentar e morre logo após o nascimento dos filhotes.
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