肥料中的各种成分对棉花有着不同的效果，而棉花在一生需要较多的营养元素是氮、磷、钾，棉株所吸收的氮素有54%-65%用于生殖生长；所吸收的磷素48%-50%用于营养器官，其余用于生殖器官；而所吸收的钾素50%-55%用于营养生长，45%-50%用于生殖生长。此外不同植棉区域土壤肥力差异较大，某些微量元素如硼、锌等也常有土壤供应无法满足的情况，只有了解不同肥料对棉花的营养作用，才能更好地掌握和运用棉花测土配方施肥技术。
棉花一生中需要多的营养元素是肥料中的氮，氮素的合理供应有助于增大棉花的叶面积，提高叶绿素含量，延长叶片的功能期，制造较多的光合产物，为棉花的生长发育提供充足的有机养料，协调营养生长与生殖生长，促进棉铃发育，可增加蕾、铃数，减少脱落，增加铃重，提高皮棉产量及棉子内的蛋白质和脂肪含量，增加棉子的营养价值。但若供氮过多，则会诱发营养生长过旺，引起棉花体内的碳、氮比例失调，亦会导致生育期延迟，蕾铃大量脱落，抗逆性、产量和质量均会下降。缺氮会使现蕾期和现花期和同一果枝上相邻的两花开放的间隔时间延长。只有适量的氮素供应才能营养生长与生殖生长的平衡，并可在一定程度上改善棉花纤维品质，增加纤维长度和细度。因此氮供应不足与过量，都会影响棉花的正常生长发育，并可因光合效率低下而使纤维的品质下降。
棉花整个生长期都需要肥料中的磷元素，其中出苗后10-25天及开花结铃期是磷素的营养临界期，这两个时期决不能缺磷。磷能促进棉花根系的生长，尤其是幼苗期，土壤温度低，若土壤有效磷缺乏，会抑制主根和侧根的正常发育，降低根系的吸收能力。蕾期磷素的充足供应，可协调棉花的氮磷平衡，棉花平稳地由营养生长向生殖生长过渡，有利于早现蕾、早开花。在棉花的开花结铃期是棉花需磷多的时期，氮、磷、钾合理搭配，不仅有利于棉花幼铃的发育、提高结铃数，降低蕾铃脱落率和霜后花的比例。磷素对棉花产量与品质有密切关系，在缺磷的土壤上施用过磷酸钙可增加棉纤维的长度，促进棉子中脂肪的快速积累与含油量，明显增加产量。
棉花是需钾素营养较多的纤维类作物，肥料中的钾能促进棉株进行光合作用和和呼吸作用，提高参与光合作用的许多酶的活性，增强CO2同化率，延长棉叶的功能期。钾还能使棉花体内的糖类向聚合方向进行，有利于纤维素合成，增施钾肥可在一定程度上提高棉纤维的整齐度和棉纤维的抗拉机械强度，并可提高棉花的抗逆性，如增强棉花对黄萎病、枯萎病等病害的抵抗能力、抗倒伏力、抗旱力等。据研究，氮、磷、钾合理搭配，特别是增加钾肥的比例，即以氮磷钾比（N：P2O5：：K2O）为2. 5：1:2. 5的比例配合施用，较单施氮肥，总病铃率和黑炭疽病铃率都明显减少。
硼是棉花生长发育必需的营养元素，是参与棉株能量贮存和细胞组织结构完整牲的微量营养元素。棉花是双子叶植物，对硼的需要量大，对缺硼很敏感。肥料中的硼对棉株的花、蕾、铃等生殖生长影响，缺硼时，棉花的花器官发育受阻，花药和花丝萎缩，绒毡层组织破坏，花粉发育不良，无法正常萌发授粉。硼还具有抑制有毒酚类化合物形成的作用，缺硼会导致植株中酚类化合物含量过高，诱发嫩芽和顶芽坏死，丧失顶端优势，产生大量无效分枝。硼对棉花的品质也有一定的影响，由于硼可促进光合生产的糖分在棉株内的运输和利用，因此有利于铃壳和种子干物质的增加，提高棉纤维的强度，改善棉花的纺织品质。碱性土壤或有机质含量低的土壤易缺硼。
棉花对肥料中的锌元素的供应也很敏感，施用含锌肥料有利于棉花早现蕾，早开花和吐絮，提高霜前花率并增加棉花单铃重和单株成铃数，衣分和绒长也能得到一定程度的改善。特别是在施用含磷肥料过量和土壤有效磷含量较多的土壤或者碱性、碳酸钙含量高、有机质过多的土壤易导致缺锌，施用锌肥效果更佳。在pH较高的石灰性土壤或碱性土壤中，土壤有效锌低于0. 5毫克/千克，容易产生缺锌症状，表现为幼叶呈现青铜色，叶脉间失绿，叶片增厚发脆，容易引起叶片边缘向上卷曲，且使棉株的节间缩短，易产生小叶丛生现象，导致生育期延迟。