棉花加工工具和技术的落后是加速推广植棉纺织的严重障碍。不排除这一障碍，要实现棉花种植的大面积推广是不可能的。美国植棉业的大发展是在伊里·惠特奈发明新式轧棉机以后。在中国，实现棉花加工技术革新，使棉花栽培迅速推广到全国的，是一个叫黄道婆的松江老婆婆。
黄道婆是松江府乌泥泾(上海旧城西南九里)人，年轻时流落到崖州(海南岛南端崖县)，在那里生活了30多年，从当地黎族同胞那里学会运用治棉工具的技能和织造崖州被面的方法。成宗元贞年间(1295-1297年)回到故乡后，向乡亲和妇女传授海南黎嗾同胞先进的治棉和纺织技术，教他们制造整套棉纺织工具。据陶宗仪的《南村辍耕录》记载，是“扞、弹、纺、织之具”。只是对它的形制和使用方法，书中没有作具体说明。但从十几年后王祯的《农书》中可以得知，“扞”即轧花搅车，“弹”即弹棉弓，“纺”即纺车，“织”即织机。
搅车就是踏车或轧车，是去棉籽的工具。它的基本原理是，用曲柄带动回转方向相反的两根轴，互相挤压、摩擦，将棉籽挤出。操作时，二人摇柄，一人喂棉，则籽落于内，棉出于外。据说比用铁杖擀棉，“工利数倍”。即使棉花多，也“不致积滞”。后来有人在黄道婆所造搅车的基础上，改进并制造出一人操作的脚踏车。据《天工开物》介绍，脚踏车每天可轧籽棉10斤，出净棉三四斤。这在当时条件下来说，效率已经相当可观了。
弹弓，黄道婆所作的改进，是将弓的长度由原来的一尺四五寸加长到四尺左右，弦也由线弦改为绳弦。弓身则仍用竹子，但两头形状不一样，“上一截颇长而弯，下一截稍短而劲”。这就加强了上一截的弹性。这种加长绳弓比原来的线弓强有力多了。缺点是仍用手拨，而设有弹椎。弹椎直到元末才出现。后来又出现了木制弹弓，绳弦打蜡，弹棉效率进一步提高。15世纪时，这种弹弓传入日本，当地称之为“唐弓”。
纺车，当时乌泥泾一带有单锭手摇棉纺车和三锭脚踏麻纺车。棉纺车的效率太低。能不能用麻纺车来纺棉呢？黄道婆和一些木工开始试验。但是，纺车的大竹轮还没转一圈，棉纱就断了。好不容易接上，纱又断了。原来麻纺车的作用是加拈和并合，没有牵伸的问题。大竹轮的直径比较大，大竹轮转一圈，被它带动的锭子要转八九十圈，二者转速比率很高，用来纺棉纱时，牵伸来不及，棉纱容易崩断。针对这一问题，黄道婆和木工们将竹轮直径缩小，脚踏木辊的支点和竹轮的偏心距离也作了相应的调整。结果改制成功了。用这种三锭脚踏纺车纺花，既省力，又大大提高了功效，很快在松江一带推广开来。王祯《农书》绘有三锭脚踏木棉纺车图。纺车用于棉花纺纱，如果要织线布，可另置一车在左，再将两缕棉纱合纺，即成棉线。
织机是织麻布使用的投梭布机，其主要构件有杠(经线轴)、杼、卷布轴等，较为简单。当时不仅有平纹织机，还有提花织机。
元代王祯《农书》、明代徐光启《农政全书》和宋应星《天工开物》等都绘有织机图，并附有说明。王祯《农书》和《农政全书》所绘织布机都是斜织机，两者的形制、结构大同小异。《天工开物》画有腰机。这些斜织机和腰机，既用于织麻、苎，也用于织棉布。宋应星认为，用腰机织葛、苎、棉布，比其他织机更好，“布帛更整齐、坚泽”，可惜当时“传之犹未广”。由此看来，当时普遍使用的还是斜织机。
这些治棉和纺织工具，虽然不都是黄道婆传入的，但同她有很大的关系。有的是由她传入而改制的，有的是传入别的地方后改制的。黄道婆的主要贡献是使当地原来不完备的工具完备了，从去籽、弹花、纺纱到织布，立下了一套系统化的程序，使人们有所遵循。
此外，黄道婆还把崖州被面的独特织法传入松江。她教当地妇女如何错纱，如何配色，如何综线，如何洁花，各有一定的法则。因此，织成的被、褥、带、蜕等产品，上面的各种图案，如“折枝、团凤、棋局、字样，檠然若写”。以后，别人又根据她的方法，进一步改进，织造各色各样的布，加绣各色各样的纹理，更加绚丽多彩。一时间，“乌泥泾被”不胫而走，广传大江南北。明代成化年间(1465-1487年)，这种布流传到北京宫中，被统治者看上了，于是乌泥泾人又开始织造皇家御用衣袍。他们使用大红、真紫、赭黄等颜色，上绣龙凤、斗牛、麒麟等图案，富丽华贵，有的一匹布竟要100两银子。
乌泥泾在元初还是个“民食不给”的贫瘠地区，由于黄道婆对纺织的提倡，很快使乌泥泾和松江一带家户殷实。到了明代，松江地区发展为全国棉纺织中心，并成为明清两朝封建政权的赋税之区。徐光启《农政全书》说，南宋绍兴年间(1131-1162年)，松江府每年税粮18万石，到明末，每年税粮正额增至97万石，外加与正额大致相等的耗羡、起解铺垫和诸色役费。这样，明末税额等于宋代的10倍。如此沉重的赋税负担，全赖棉纺织业支撑。不仅如此，黄道婆的革新还为整个长江下游地区棉纺织业的发展打下了良好的基础。松江人民为了感激黄道婆在发展棉纺织业上的卓越贡献，特地为她立祠祭祀。在她的故乡乌泥泾，至今传颂着这样一首民谣：“黄婆婆，黄婆婆！教我纱，教我布，二只筒子二匹布。”
棉花从边疆走向全国的飞跃
从宋元之交到明代，我国的棉花栽培和棉纺织生产，在地区推广上出现了一个飞跃，以前所未有的速度从华南地区和西南、西北边疆扩展到全国各地。
南宋末年，江南一些地区已开始棉花种植。1271年忽必烈定国号为元，1279年灭南宋，中国南北分裂一个半世纪后，复为统一，南北经济联系和商业交流加强，消除了棉花和棉织品北上的障碍。“商贩于北，服被渐广”，棉花栽培和棉纺织技术也“骚骚北来，江淮川蜀，都得到种棉之利”。在西北，新疆的棉花栽培技术也已传播到陕西渭水流域。
宋元时期，北方的山东和山西地区都有棉织品实物出土。山东邹县元代墓发现了两件本色棉夹袍，棉布幅宽34厘米，织物为线经双纱纬的重平组织，经密、纬密分别为18根／厘米和28根／厘米，相当于10升布；山西大同金代墓出土了棉布袜，纱线和组织同山东夹袍布料相似。出土实物证实了上述有关纺织技术“骚骚北来”的历史记载。
棉花向北传入长江流域，它的优越性立即显示出来。元初，王祯在《农书》中，在详细介绍棉花种植方法和纺织工具的同时，全面分析了棉花、棉布的用途和优越性，认为棉布“茸密轻暖，可抵缯帛；又为毳服毯段，足代本物”。而且棉花有桑蚕、麻苎不具备的优点，“比之桑蚕，无采养之劳，有必收之效；埒之臬苎，免绩缉之工，得御寒之益可谓不麻而布，不茧而絮”，棉花虽为南方物产，但同样适用于北方。北方天寒，如果没有丝绵，就要用毛皮，而棉花比毛皮便宜得多。因此，王祯主张大范围推广植棉和纺织之法，以“助桑麻之用，兼蛮夷之利”，并身体力行。大德四年(1300年)，他在担任江西永丰县尹时，即购木棉子“导民分艺”。王祯可能是地方宫中提倡植棉和棉纺织的第一人。
元明两朝政府为了推广植棉和棉纺织业，采取了强迫百姓输纳棉布实物税和硬性规定农户植棉面积的强制措施。
元朝开国不久，世祖忽必烈于至元十年(1273年)颁布诏谕，在陕西推广棉花种植。至元二十四年(1287年)，诸王薛彻都等所部遭灾，牛羊大批死亡，元政府动用十四万余两银子购买棉布救灾。尝到了棉布的甜头。为了得到更多的棉花，忽必烈于至元二十六年下令设立浙东、江东、江西、湖广、福建5省木棉提举司，规定民众每年输纳棉布10万匹。但当时除福建外，其余4省的棉花种植尚未大范围推广，巧妇难为无米之炊、所以只实行了两年就停止了。但到成宗元贞二年(1296年)制定江南夏税制度时，又强令百姓以木棉、布、绢、丝、绵等物输纳夏税，数量则按粮额多寡确定。从此，棉布开始和其他纺织品一起被定为常年租赋。
明朝政府同样采取强制种植和输纳的办法。明开国前一年，即1367年，明太祖朱元璋就向全国发布命令，凡有田5-10亩的，必须种桑、麻、木棉各半亩。10亩以上加倍。同时，每亩征麻8两、木棉4两。如果不种麻和木棉，必须出麻布和棉布各1匹。朱元璋不论地域和自然条件，强令种植，一律把棉花列为常赋对象。比元代的推广措施更为严厉和坚决。这套办法推行了20多年，到洪武二十七年(1394年)，朱元璋又推行闲地植棉免税的新办法，下令官吏劝谕民间，在空地上种植桑枣、棉花，并免纳赋税。每年年底上报种植面积。这种隙地棉田免税的办法，以后长期被沿用。
元明地方官吏，上自总督巡抚，下至知州知县，无论掌管民政的布政使，还是掌管军政的兵备道，在督劝植棉和纺织方面，也大都不遗余力，其办法也同样是强制性的。明代万历年间山西巡抚吕坤督劝纺织的做法，是这方面的一个典型例子。他曾下过一道命令，省城贫苦妇女，不分军民，都必须纺纱；男人妇女都要学习织布。具体办法是：先垫官款购棉千斤，发给各户，每户1斤，令其纺纱。有先纺完及纱细者，花价免缴充赏，超过10天及纱稍粗者，赏价一半；超过20天及纱粗者，花价全纳；一月之外不完者，罚花1斤。纱纺好后，再令织匠教民织布。纺纱各家男妇须定日向织匠学织。同时，可以用罚布的方式惩办罪犯，罪犯也可通过缴纳棉布赎罪。把推广纺织放在高于一切的位置。
对元明政府和地方官吏督劝植棉的动机和具体做法，可以有各种不同的评价，但不管怎样，这些措施在客观上加速了植棉业和棉纺织业的推广，则是毫无疑问的。
自元代至明代，经过一二百年的传播，植棉纺织已基本上推广到全国各个地区。成书于元初皇庆二年(1313年)的《农书》还把棉布称为“中国珍货”，据意大利旅行家马可·波罗记载，13世纪末，棉花价格比丝绢高，贫民买不起。以后，随着棉花栽培的迅速推广和棉纺织业的不断发展，棉纺织品由“珍货”逐渐变成了平民大众的主要衣着材料。成书于明代中叶弘治年间(1488-1505)的《大学衍义补》说，棉花“至我国朝，其种乃遍于天下，地无南北皆宜之，人无贫富皆赖之，其利视丝臬盖百倍焉”。说当时棉花的收益百倍于丝麻，未免夸张，但棉花已取代丝麻，成为贫富各阶层居民的主要衣着材料，则是事实。
植棉和棉纺织在全国各地分布的普遍程度，可从明朝政府征收棉花、棉布实物贡赋的区域得到反映。据《万历会计录》记载，万历六年(1578年)征收花、布实物贡赋的区域包括山东、山西、河南、陕西、湖广、四川、江西各布政司及南北直隶各府。各省、府内，绝大多数州县都有棉花、棉布贡赋定额。如西安府的36个州县，征纳棉布的达30个；重庆府的20个州县，征纳地亩棉花绒的达17个。至于南北直隶各府，几乎没有一县不征纳地亩棉花绒。由此可见，当时植棉纺织已基本上分布到全国每个州县了。明末，宋应星的《天工开物》一书甚至说，“棉布，寸土皆有”；“织机，十室必有”。由此可见植棉纺织的普遍程度了。
在棉花的引入和推广过程中，由于人工培育和自然选择，在一些地区开始形成不同的棉花品种。据徐光启《农政全书》载，当时的棉花主要分为江花、北花和浙花三大品系，各有不同的特点：江花产于湖北，纤维强紧，皮棉率不太高，20斤籽棉可得皮棉5斤；北花产于河北、山东，纤维柔细，好纺织，皮棉率较低，20斤籽棉只得皮棉4-5斤；浙花产于浙江、江苏，好纺织，皮棉率高，20斤籽棉可得皮棉7斤；此外还有黄蒂、青核、黑核、宽大衣和紫花等特种棉。
棉花栽培技术也迅速提高。富有农业生产经验的江南农民，很快熟悉了棉花的生长习性和种植技术，并不断加以总结和改进。早在宋末元初就形成了一套雪水、鳗鱼汁浸种和及时中耕的有关技术。苏轼《格物粗谈》载，“木绵子雪水浸种，耐旱；鳗鱼汁浸过，不蛀”。胡三省注释《资治通鉴》说到当时江南的棉花栽培时指出，棉花出苗后，“须一月三薅其四旁。失时不薅，则为草所荒秽，辄萎死”。这些都是当时棉花种植技术的总结。
元中叶后，江南的棉花栽培技术进一步提高，农民利用棉花的土地适应力较强的特点，在那些滨海盐碱地或高阜硗瘠而不适于水稻生长的荒地上种植棉花；在可种水稻的土地，则实行稻棉轮作，种棉2年，种稻1年。这样既保护了地力，又可减少虫害。稻棉轮作制的出现，又反过来促进了棉花种植的推广。
棉纺织品和棉花栽培向内地的继续传播
华南、西南、西北兄弟民族生产的棉花和各种棉织品，很早就以进贡、馈赠、贸易等方式传入中原和东南地区。据《尚书·禹贡》记载，远在公元前21世纪前后，当中原地区还处于传说中的夏禹时代，岭南的兄弟民族，就曾将棉布作为礼品，馈赠给当时中原的华夏头领。这是边疆棉织品流入中原的最早记载。1978年在福。建武夷山的一处殷商遗址岩墓中发现一块棉布。这是岭南棉织品进入东南地区的最早的实物资料。有人考证，春秋时期，《左传》昭公十二年、襄公三十年所记载的“秦复陶”及“为使君复陶”的复陶，就是白叠布。这一结论是否成立，还有待于其他资料的证明。20世纪30年代，在湖南长沙的一座战国晚期的墓葬中，发现腐烂的棉被单和一段长17.5厘米的残棉带。这些棉织品有可能来自海南。
秦统一中国后，在岭南设桂林、南海、象郡3郡，华南和西南地区同中原地区的经济、文化交往更加密切。这一地区生产的棉织品可能更多地通过上贡和贸易往来传入中原和东南地区。西汉武帝末年，珠崖(今海南省)太守孙幸征调“广幅布”献给皇帝，因数量过多，黎族同胞不堪其累，攻入郡衙把孙幸杀了。三国魏晋南北朝时期，大量的岭南和新疆棉布流入中原。魏文帝曹丕在诏书中极力赞赏新疆的白叠布，说尽管代郡(今山西大同一带)的麻布“细”，乐浪(今朝鲜北部)经过练漂的布帛“精”，江东太末布“白”，但都不如新疆的白叠布“鲜洁”。南朝史书则记载说，广州曾向宋武帝献“入筒细布”，梁武帝爱穿棉布衣，爱用黑色的棉布帐子。