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 (несколько видов из рода Hapalochlaena), 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. Мозг осьминога высокоразвит (один из самых развитых среди беспозвоночных), имеет зачаточную кору. Охватывает кольцом пищевод. Глаза большие, с хрусталиком, похожим на человеческий (однако сетчатка, в отличие от человеческой, неинвертирована: фоторецепторы направлены в сторону света. Зрачок прямоугольный. Осьминоги способны воспринимать звук, в том числе инфразвук. На каждой «руке» расположено до десяти тысяч вкусовых рецепторов, определяющих съедобность или несъедобность предмета.

В 2015 году было объявлено о расшифровке генома осьминога, он оказался почти таким же большим, как человеческий: 2,7 миллиарда пар оснований (у человека — 3,1 миллиарда). Обыкновенный осьминог обладает способностью изменять окраску, приспосабливаясь к окружающей среде. Это объясняется наличием в его коже клеток с различными пигментами,  способных под влиянием импульсов из центральной нервной системы растягиваться или сжиматься в зависимости от восприятия органов чувств. Обычный окрас — коричневый. Если осьминог напуган — он белеет, если разгневан, то краснеет.

Обыкновенный осьминог — один из самых распространённых и хорошо изученных видов осьминогов. Распространён в Средиземном море и в Атлантическом океане от побережья Англии до берегов Сенегала. Длина тела осьминога обыкновенного достигает 25 см. Руки-щупальца гораздо длиннее — 90 см, но могут достигать и 120—130 см. Вес тела до 10 кг. Рот осьминога несёт две мощные челюсти, напоминающие клюв попугая. В глотке находится тёрка, позволяющая перетирать пищу. Он обладает восемью щупальцами, снабжёнными многочисленными присосками. У самцов одна из рук преобразуется в совокупительный орган — гектокотиль. У осьминога хорошо развито зрение. Глаза крупные, по строению напоминают глаза позвоночных животных. Головной мозг осьминога достаточно высокоразвит, имеет зачаточную кору.

Нервная система осьминога содержит около 500 млн клеток. Это больше, чем у крысы и почти как в головном мозгу кошки Осьминоги обладают самым высоким интеллектом среди всех беспозвоночных, имеют хорошую память, различают геометрические фигуры, хорошо поддаются дрессировке. Осьминоги различают людей, способны решать нестандартные задачи Кровеносная система близка к замкнутой: во многих местах артерии переходят в вены через капиллярную систему. Осьминог обитает на мелководьях, до глубины 100—150 м. Предпочитает скалистые участки дна. Одиночный, территориальный вид. Днём осьминог мало активен, охотится, как правило, в сумерках и ночью. Осьминог — типичный хищник-засадчик. В его рацион входят моллюски, ракообразные, рыба, планктон. Добычу захватывает руками, затем подтягивает её к рту и кусает клювом жертву. При этом яд слюнных желез осьминога попадает в рану. Враги осьминога — дельфины, морские львы, киты, олуши, хищные рыбы.

Длина взрослых особей составляет от 1 сантиметра (у самцов вида Argonauta argo) до 4 метров (у Haliphron atlanticus). Есть сведения, что осьминог Дофлейна может достигать длины 960 см и массы 270 кг, но обычно масса осьминогов не превышает нескольких десятков кг. Продолжительность жизни осьминогов редко превышает 5 лет, в среднем 1-3 года. На Дальнем Востоке излюбленным укрытием молодняка являются пустые раковины приморского гребешка. По твёрдой поверхности (в том числе по отвесной) осьминог передвигается ползком, используя щупальца с присосками. Может также плавать щупальцами назад, приводя себя в движение своеобразным водомётным движителем — набирая воду в полость, в которой находятся жабры, и с силой выталкивая её в направлении, обратном движению, через воронку, играющую роль сопла. Поэтому охотиться осьминог предпочитает из засады Благодаря мягкому эластичному телу осьминоги могут проникать через отверстия и щели, гораздо меньшие обычных размеров их тела, что позволяет им изощрённо прятаться во всевозможных убежищах. Селятся даже в ящиках, бидонах, автомобильных шинах и резиновых сапогах. Предпочитают укрытия с узким входом и просторным помещением. Жилище своё содержат в чистоте: «подметают» струей воды из воронки, объедки складывают снаружи в мусорную кучу. При приближении врагов (в том числе водолазов или аквалангистов) спасаются бегством, прячась в расщелинах скал и под камнями.

Удирая, осьминоги многих видов выпускают струйки чернил — тёмной жидкости, вырабатываемой специальными железами. Эта жидкость повисает в воде в виде бесформенных полупрозрачных пятен и некоторое время держится компактно, пока не размоется водой. У осьминогов есть способ защиты — автотомия: схваченное врагом щупальце может оторваться за счёт сильного сокращения мышц, которые в этом случае сами себя разрывают. Оторванное щупальце в течение определённого времени продолжает двигаться и реагировать на тактильные стимулы, что служит дополнительным отвлекающим фактором для хищника, преследующего осьминога.

Размножение происходит дважды в год, как правило, весной и осенью. После спаривания самка устраивает гнездо на мелководье, где откладывает около 80 тысяч яиц. Гнездо представляет собой ямку в грунте, обложенную валом из камней и ракушек. Яйца шарообразные, соединённые группами по 8—20 штук. Самка ухаживает за яйцами, постоянно вентилирует их, убирает грязь и посторонние предметы. Инкубация продолжается до 4—5 месяцев, в зависимости от температуры воды. В течение всего периода развития яиц самка находится у гнезда, охраняет его, не питается и погибает от истощения при вылуплении личинок. Самки глубоководных осьминогов проводят рядом с кладкой несколько лет, так как из-за низкой температуры воды развитие яиц происходит особенно долго.

Новорождённые личинки первые 2 месяца питаются планктоном и сами ведут планктонный образ жизни. В возрасте около двух месяцев происходит метаморфоз, личинка превращается в взрослую форму и переходит к придонному образу жизни, типичному для вида. Растут быстро, в возрасте 4 месяцев достигают веса в 1 килограмм. Продолжительность жизни 1—2 года, редко до 4 лет. Осьминог — важный объект промысла, употребляется человеком в пищу. Мировой вылов осьминога составляет около 40 000 тонн ежегодно, основная масса добывается в Мексике и Италии.

Употребление осьминогов в пищу распространено во многих культурах. В японской кухне осьминог — обычный продукт, из которого готовятся такие блюда, как суши и такояки. Также их едят живыми. Живых осьминогов нарезают на тонкие кусочки и съедают их в течение нескольких минут, пока мышцы щупалец продолжают конвульсировать. (ЖУТЬ!!!) Едят осьминогов и на Гавайских островах. Часто употребимы осьминоги в средиземноморской кухне.  Осьминог — источник витаминов B3, B12, калия, фосфора и селена. Готовить осьминогов следует аккуратно, чтобы избавиться от слизи, запаха и остатков чернил. Чернила осьминогов и других головоногих пользуются спросом у художников за их стойкость и красивый коричневый тон (известный под названием «сепия», которое произошло от древнегреческого названия каракатиц)

Осьминоги произошли от вампироморфов, которые часто встречаются в породах юрского периода. В ходе их эволюции гладиус — рудимент раковины — подвергся дальнейшей редукции. Древнейшие осьминоги современного типа, известные в ископаемом состоянии были найдены в верхнемеловых отложениях Ливана. В кинофильме «Через тернии к звёздам» одним из персонажей является мыслящий осьминог Пруль с другой планеты, посетивший Землю