หมึกเป็นสัตว์ทะเลซึ่งไม่มีกระดูกสันหลังที่มีขนาดใหญ่ชนิดหนึ่ง ทฤษฎีทางชีววิทยาจัดสัตว์น้ำประเภทนี้ให้อยู่ในกลุ่มเดียวกับสัตว์น้ำจำพวกหอย หมึกมีรูปร่างกลม ยาวบางชนิดก็มีลักษณะเป็นทรงกลมคล้ายถุงพองลม แบ่งออกเป็นส่วนหัวและลำตัว ไม่มีเปลือกหุ้มภายนอก มีตาขนาดใหญ่ตั้งอยู่บริเวณลำตัว มีรยางค์รอบปาก 4-5 คู่เรียกกันว่า หนวด บนหนวดแต่ละเส้นมีปุ่มดูดเรียงเป็นแถว หนวดมีหน้าที่จับเหยื่อป้อนเข้าปาก และช่วยในการผสมพันธุ์ ภายในปากมีเขี้ยว 2 อัน คือเขี้ยวบนและล่างลักษณะคล้ายปากนกแก้ว ที่ลำตัวมักจะมีแผ่นครีบติดอยู่ตรงด้านข้าง ตามตัวมีจุดสีกระจายอยู่ทั่วไป จุดสีนี้สามารถขยายให้ใหญ่หรือหดเล็กลงได้ โดยการควบคุมของระบบประสาท เมื่อจุดสีถูกขยายเป็นวงใหญ่ขึ้นจะมีลักษณะเข้มเป็นสีแดงปนม่วงและขณะหดตัวจะทำให้จุดของสีนั้นจางลง ฉะนั้นหมึกจึงสามารถเปลี่ยนสีของลำตัวได้ตามสภาพแวดล้อมหรือในฤดูผสมพันธุ์ ภายในลำตัวของหมึกจะมีโครงสร้างเป็นของแข็งเรียกว่า "กระดองหมึก" กระดองหมึกแต่ละชนิดจะมีลักษณะแตกต่างกันไป เช่น ในหมึกกล้วยจะมีลักษณะเป็นแผ่นใสคล้ายพลาสติก เป็นสารประกอบของพวกไคติน ซึ่งมีคุณสมบัติแข็งตัว แต่ของหมึกกระดองจะมีลักษณะเป็นแผ่นแข็งสีขาวขุ่น เป็นสารประกอบของพวกหินปูนเรียกว่า "ลิ้นทะเล" ระหว่างหัวและลำตัวของปลาหมึก จะมีช่องให้น้ำผ่านเข้าไป ภายในลำตัวมีท่อน้ำออกอยู่ทางด้านล่าง ท่อหรือช่องที่ว่านี้สามารถหันเหไปได้ตามทิศทางที่ต้องการ การขับน้ำพุ่งผ่านออกจากช่วงตัวอย่างรวดเร็ว เป็นวิธีการที่ทำให้ปลาหมึกสามารถเคลื่อนตัวไปตามทิศทางที่มันต้องการได้อย่างคล่องแคล่ว ปลาหมึกหายใจโดยใช้อวัยวะส่วนเหงือกที่อยู่ภายในลำตัว เหงือกของปลาหมึกทำหน้าที่แลกเปลี่ยนแก๊สที่ละลายอยู่ในน้ำ นอกจากนี้ภายในลำคอมีท่อทางเดินอาหารระบบขับถ่าย และระบบสืบพันธุ์ ส่วนปลายสุดของท่อทางเดินอาหารมีถุงบรรจุน้ำสีดำอยู่ เรียกว่า "ถุงหมึก" ซึ่งพร้อมที่จะพ่นสารสีดำออกมาทางท่อน้ำออก เมื่อถูกรบกวนหรือต้องการหลบหลีกศัตรู จึงเป็นเหตุให้เรียกขานชื่อของสัตว์น้ำชนิดนี้ว่า "ปลาหมึก" หมึกทุกชนิดเคลื่อนที่ได้ว่องไว จึงสามารถจับสัตว์ขนาดเล็ก เช่น ปู กุ้ง เคย ปลาขนาดเล็กหรือจับพวกหมึกพวกเดียวกันเป็นอาหาร ในการสืบพันธุ์หมึกมีอวัยวะสืบพันธุ์ ซึ่งมีระบบปฏิบัติการที่สมบูรณ์ อวัยวะของหมึกทั้งเพศผู้เพศเมียจะมีโครงสร้างเป็นส่วนสัดชัดเจน ในการผสมพันธุ์หมึกตัวผู้จะใช้หนวดเส้นหนึ่งนำถุงน้ำเชื้อสอดลงไปช่องเพศของหมึกตัวเมีย เมื่อไข่ของหมึกได้รับการผสมน้ำเชื้อจากหมึกตัวผู้แล้ว ตัวเมียจะวางไข่ติดตามพื้นทะเล หรือตามสาหร่าย ลูกปลาหมึกในวัยอ่อนที่เริ่มเปลี่ยนสภาพจากไข่กลายเป็นตัวจะมีลักษณะคล้ายแพลงก์ตอน ล่องลอยไปตามกระแสคลื่นระยะต่อมาจึงค่อย ๆ จมตัวลงสู่น้ำทะเลในระดับลึก ระยะเวลาของการฟักตัวออกไข่ และการเจริญเติบโตขึ้นอยู่กับชนิดของปลาหมึก ปลาหมึกมีหลายชนิดหลายขนาดแตกต่างกันไป จากการศึกษาถึงชนิดของปลาหมึกซึ่งมีอยู่ในบริเวณน่านน้ำของไทย พบว่าจะมีประมาณ 6 วงศ์ 11 สกุล 20 ชนิด
