单模光纤的结构分为纤芯、包层和涂覆层，呈圆柱形。纤芯一般为石英玻璃，直径8～14微米，纤芯折射率比周围包层略高，这个结构引起全内反射，引导光线在纤芯内传播。标准包层直径为125微米，在包层外面加上涂覆层后直径约为250微米。光在单模光纤中传播时，光能量不完全集中在纤芯中传输，相当一部分光（约20%）是由包层传播的，因此光在纤芯区域的分布状态不用纤芯直径而用模场直径来表征。

单模光纤的折射率剖面种类很多，有一般阶梯形、W形、三角形等。采用不同的掺杂剂可以改变纤芯的折射率。例如，掺杂剂氧化锗、五氧化二磷等能提高纤芯的折射率，而氟、氧化硼可以降低纤芯的折射率。

要保证光纤实现基模（最低阶模）传输，即高阶模截止，要求截止频率为2.405或更小，对应的工作波长要大于截止波长，普通单模光纤截止波长为1260纳米。实际应用中，通过减小光纤纤芯直径、增加工作波长或者使折射率差尽量小来实现。相比多模光纤纤芯直径（50或62.5微米），单模光纤纤芯较小，要把一束光导入进去比多模光纤复杂得多，因此选择激光二极管为光源。广泛使用的单模光纤的折射率差为0.36%，单模光纤的工作窗口主要在1310纳米和1550纳米处。

光纤的色散、损耗、偏振是十分重要的特性参数，根据零色散波长，单模光纤可分为非色散位移单模光纤（G.652）、色散位移单模光纤（G.653）、截止波长位移单模光纤（G.654）、非零色散位移单模光纤（G.655）、宽带光传输用非零色散单模光纤（G.656）、接入网用弯曲损耗不敏感单模光纤（G.657）。

单模光纤芯径较小，其信号畸变很小；单模光纤存在材料色散、波导色散、偏振色散，不存在模式色散；传输带宽大，通常可传100吉比特/秒以上；损耗小，在1550纳米波长的衰耗小于0.17分贝/千米，主要用于高速、长距离、大容量光纤通信系统，光纤局部区域网和各种光纤传感器中。