由於棉花「比之桑蠶，無采養之勞，有必收之功，埒〔lie列〕之枲麻，免績緝之工，得禦寒之益，可謂不麻而布，不繭而絮」(王禎《農書》)的優良特性，所以大約到宋末元初，棉花同時由東南、西北兩路向長江流域和黃河流域迅速傳播開來，並開始得到政府的重視。元代至元十年(公元1273年)頒布的官修《農桑輯要》一書，有令陝西勸種棉花的詔諭，其內容大意是：木棉本是西域所產，近年以來，苧麻種於河南，木棉種於陝右，滋茂繁盛，與原產地無異，當地民眾深得其利。根據兩地試種效果，責令陝西地區種之。至元二十六年(公元1289年)，元政府又在浙東、江東、江西、湖廣、福建等地設置木棉提舉司，大規模地徵收木棉織品，每年達10萬匹。到元貞二年(公元1296年)，棉布像其他紡織品一樣，被正式列入常年租賦中，徵收定額也提高到年50萬匹。
長江流域的松江府，在元初制棉生產技術發展中，後來居上，超越閩、廣以及西北地區，成為全國最大的棉紡織中心。松江棉植業的迅速發展是與黃道婆的生產活動分不開的。黃道婆是松江府烏泥涇(今上海龍華鎮)人，早年流落崖州(今海南島崖縣)，從當地黎族人民那裡學到了一整套棉紡織加工技術。成宗元貞年間(公元1295—1297年)，年老的黃道婆搭順道海船從崖州回到烏泥涇。回家鄉後，她看到家鄉的棉紡織技術十分落後，就根據當地棉紡織生產的需要，總結出一套融會黎族棉織方法和內地原有紡織工藝於一體的完整新技術。她將這套技術廣傳於人，改變了當地「厥功甚艱」的棉紡織生產狀況。一時烏泥涇和附近地方「人既受教，競相作為，轉貨他郡，家既就殷」(陶宗儀《輟〔chuo綽〕耕錄》)。黃道婆去世後，松江人民感念她的恩德，為她立了祠堂來紀念她。此祠後因戰亂被毀，至正二十二年(公元1362年)有人為她重建一祠，並求詩人王逢作詩以為紀念。清嘉慶年間，又有人在上海城內渡鶴樓西北小巷內建一小廟祀祠她。
黃道婆在棉紡織工藝上的重大貢獻，可歸納為擀、彈、紡、織四項。
「擀」是指軋棉去籽。黃道婆以海南黎族的踏車為基礎，創造出一種攪車。它的形制如王禎《農書》所記，主要結構為一對輾軸，即一根直徑較小的軸，配合一根直徑較大的軸。使用時，兩人搖軸，一人將棉喂入兩軸之間，利用這兩根直徑不等，速度不等，迴轉方向相反的輾軸相互輾軋，使棉籽核和棉纖維分離(圖5)。攪車比用手剝或鐵杖趕搓去籽，效率大為提高，而且「功力數倍」，所以王禎在《農書》中說：「凡木棉雖多，今用此法，即去籽得棉，不致積滯。」以後人們又在這種攪車的基礎上加以改進，制出僅用一人操作的腳踏攪車。據宋應星《天工開物》介紹，改進後的攪車，出棉量相當可觀，每天可軋帶籽棉花10斤，出凈棉三、四斤。
「彈」是指有開松除雜之效的彈棉。黃道婆把原來只有一尺五寸長的線弦竹弓，改為四尺多長的繩弦大弓，把用手撥弦改為以彈椎敲擊繩弦。由於用彈椎敲擊，繩弦振幅大，增強了彈弓對棉的振蕩作用，不僅大大提高了開松效率，而且彈出的棉花既蓬鬆又潔凈。到了明代，這種彈弓又有了改進，變為「以木為弓，蠟絲為弦」(《農政全書》)的木弓。木弓弓背寬，弓身伸展，當弓弦振蕩時，接觸棉花的空間加大，使彈棉的功效得到進一步提高。這種彈弓於16世紀傳入日本，日本人稱為「唐弓」(圖6)。
「紡」指紡紗。在黃道婆之前，松江地區用於紡棉的紡車，都是單錠手搖紡車，用它紡棉，10小時僅得棉紗四兩，需要三到四個人才能供應一架織布機的需要；再者其車的原動輪較大，紗錠轉速較快，發動起來後棉紗常因牽伸不及或捻度過大而綳斷，所以不太適合紡棉紗。黃道婆針對這個缺陷，改進了其原有結構，一面將其紗錠數增至三枚，一面改變其原動輪的規格，使之適當縮小，從而既提高了功效，又解決了棉紗斷條問題。這種紡車由於紡棉紗的性能良好，很快就在松江一帶得到推廣。
「織」是指織布。黃道婆把江南原有的絲麻織作技術和黎族棉織技術融會貫通，總結出一套先進的「錯紗、配色、綜線、絮(潔)花」的織造工藝，使普通的棉布，能呈現出各種美麗的花紋。經她手織出的「被、褥、帶、帨〔shui稅〕，其上折枝、團鳳、棋局、字樣，粲然若寫」(《輟耕錄》)。
由於烏泥涇和松江一帶人民迅速掌握了黃道婆傳授的新工具和新技術，棉織業得到迅速發展，所產棉織物亦因外觀、質地皆佳，廣傳於大江南北。至明代，松江及附近地區以此為生者達數千家，成為全國棉紡織業的中心，並贏得了「松郡棉布，衣被天下」的聲譽。