Это изомер мальтозы, состоит из двух остатков D-глюкопиранозы, связанных гликозидной связью в положении 1,4. В отличие от мальтозы глюкоза, полуацетальный гидроксил которой участвует в образовании гликозидной связи, имеет β-конфигурацию.
В растворе целлобиоза существует в нескольких таутомерных формах — α- и β-циклической и альдегидной. Целлобиоза — восстанавливающий дисахарид (дает реакцию с раствором Толленса н Фелинга). Для нее характерны реакции с фенилгидразином, гидроксиламином, циановодородной кислотой. При окислении в мягких условиях превращается в целлобионовую кислоту. За счет полуацетального гидроксила образует гликозиды. По всем гидроксильным группам образует простые и сложные эфиры.
Целлобиоза и мальтоза имеют разное пространственное строение. В молекуле целлобиозы один остаток глюкозы по сравнению с мальтозой повернут на 180 °С.
Целлобиоза легко растворяется в воде, но не расщепляется в организме человека и поэтому не может быть использована в качестве продукта питания.