São polímeros longos e rígidos de forma cilíndrica com 24-25 nm de diâmetro, constituídos pela associação de dois polipeptídeos globulares, a α- e a β-tubulina. Pares destes dois polipeptídeos formam heterodímeros. A associação desses heterodímeros forma fileiras, os protofilamentos, os quais se reúnem paralelamente em grupos de 13 para formar os microtúbulos que são, portanto, tubos ocos. Os microtúbulos apresentam, em geral, um local comum de origem, na região dos centríolos, denominada, por isso, centrossomo.
Nas atividades celulares que envolvem o movimento de organelas e de outras estruturas citoplasmáticas – como as vesículas de transporte, mitocôndrias e lisossomos-, os microtúbulos servem como guias para os destinos apropriados. Os microtúbulos estão envolvidos em várias funções celulares essenciais:

• Transporte vesicular intracelular. Ex.: movimento de vesículas secretoras, endossomos e lisossomos
• Movimento de cílios e flagelos
• Fixação dos cromossomos ao fuso mitóticos e seu movimento durante a mitose e a meiose
• Alongamento e movimento (migração) celulares
• Manutenção do formato da células, especialmente de sua assimetria.