肥料中的各種成分對棉花有著不同的效果，而棉花在一生需要較多的營養元素是氮、磷、鉀，棉株所吸收的氮素有54%-65%用于生殖生長；所吸收的磷素48%-50%用于營養器官，其余用于生殖器官；而所吸收的鉀素50%-55%用于營養生長，45%-50%用于生殖生長。此外不同植棉區域土壤肥力差異較大，某些微量元素如硼、鋅等也常有土壤供應無法滿足的情況，只有了解不同肥料對棉花的營養作用，才能更好地掌握和運用棉花測土配方施肥技術。
棉花一生中需要多的營養元素是肥料中的氮，氮素的合理供應有助于增大棉花的葉面積，提高葉綠素含量，延長葉片的功能期，制造較多的光合產物，為棉花的生長發育提供充足的有機養料，協調營養生長與生殖生長，促進棉鈴發育，可增加蕾、鈴數，減少脫落，增加鈴重，提高皮棉產量及棉子內的蛋白質和脂肪含量，增加棉子的營養價值。但若供氮過多，則會誘發營養生長過旺，引起棉花體內的碳、氮比例失調，亦會導致生育期延遲，蕾鈴大量脫落，抗逆性、產量和質量均會下降。缺氮會使現蕾期和現花期和同一果枝上相鄰的兩花開放的間隔時間延長。只有適量的氮素供應才能營養生長與生殖生長的平衡，并可在一定程度上改善棉花纖維品質，增加纖維長度和細度。因此氮供應不足與過量，都會影響棉花的正常生長發育，并可因光合效率低下而使纖維的品質下降。
棉花整個生長期都需要肥料中的磷元素，其中出苗后10-25天及開花結鈴期是磷素的營養臨界期，這兩個時期決不能缺磷。磷能促進棉花根系的生長，尤其是幼苗期，土壤溫度低，若土壤有效磷缺乏，會抑制主根和側根的正常發育，降低根系的吸收能力。蕾期磷素的充足供應，可協調棉花的氮磷平衡，棉花平穩地由營養生長向生殖生長過渡，有利于早現蕾、早開花。在棉花的開花結鈴期是棉花需磷多的時期，氮、磷、鉀合理搭配，不僅有利于棉花幼鈴的發育、提高結鈴數，降低蕾鈴脫落率和霜后花的比例。磷素對棉花產量與品質有密切關系，在缺磷的土壤上施用過磷酸鈣可增加棉纖維的長度，促進棉子中脂肪的快速積累與含油量，明顯增加產量。
棉花是需鉀素營養較多的纖維類作物，肥料中的鉀能促進棉株進行光合作用和和呼吸作用，提高參與光合作用的許多酶的活性，增強CO2同化率，延長棉葉的功能期。鉀還能使棉花體內的糖類向聚合方向進行，有利于纖維素合成，增施鉀肥可在一定程度上提高棉纖維的整齊度和棉纖維的抗拉機械強度，并可提高棉花的抗逆性，如增強棉花對黃萎病、枯萎病等病害的抵抗能力、抗倒伏力、抗旱力等。據研究，氮、磷、鉀合理搭配，特別是增加鉀肥的比例，即以氮磷鉀比（N：P2O5：：K2O）為2. 5：1:2. 5的比例配合施用，較單施氮肥，總病鈴率和黑炭疽病鈴率都明顯減少。
硼是棉花生長發育必需的營養元素，是參與棉株能量貯存和細胞組織結構完整牲的微量營養元素。棉花是雙子葉植物，對硼的需要量大，對缺硼很敏感。肥料中的硼對棉株的花、蕾、鈴等生殖生長影響，缺硼時，棉花的花器官發育受阻，花藥和花絲萎縮，絨氈層組織破壞，花粉發育不良，無法正常萌發授粉。硼還具有抑制有毒酚類化合物形成的作用，缺硼會導致植株中酚類化合物含量過高，誘發嫩芽和頂芽壞死，喪失頂端優勢，產生大量無效分枝。硼對棉花的品質也有一定的影響，由于硼可促進光合生產的糖分在棉株內的運輸和利用，因此有利于鈴殼和種子干物質的增加，提高棉纖維的強度，改善棉花的紡織品質。堿性土壤或有機質含量低的土壤易缺硼。
棉花對肥料中的鋅元素的供應也很敏感，施用含鋅肥料有利于棉花早現蕾，早開花和吐絮，提高霜前花率并增加棉花單鈴重和單株成鈴數，衣分和絨長也能得到一定程度的改善。特別是在施用含磷肥料過量和土壤有效磷含量較多的土壤或者堿性、碳酸鈣含量高、有機質過多的土壤易導致缺鋅，施用鋅肥效果更佳。在pH較高的石灰性土壤或堿性土壤中，土壤有效鋅低于0. 5毫克/千克，容易產生缺鋅癥狀，表現為幼葉呈現青銅色，葉脈間失綠，葉片增厚發脆，容易引起葉片邊緣向上卷曲，且使棉株的節間縮短，易產生小葉叢生現象，導致生育期延遲。