Unter Mikrotubuli (engl. tubule = Röhrchen) werden feine Eiweißstrukturen verstanden, die innerhalb der Zelle zu einem röhrenähnlichen System zusammengeschlossen sind. Die Mikrotubuli bilden zusammen mit den intermediären Filamenten und den Mikrofilamenten die Grundlage für das Cytoskelett der Zelle, welches in dieser Form nur bei Eukaryoten vorkommt. Mikrotubuli kommen als bewegliche und kurzlebige oder als stabile und langlebige Versionen vor. Auch bei Prokaryoten fungieren Proteinverbindungen als stabilisierendes Element, allerdings sind diese nicht direkt mit den Mikrotubuli vergleichbar. Die Ähnlichkeit der Zytoskelette beider Zelltypen ist vermutlich auf analoge Entwicklung zurückzuführen.

Die röhrenförmigen Verzweigungen der Mikrotubuli entstehen durch globuläre (kugelförmige Eiweiße) Einheiten. Deren Größe beträgt zwischen 15 und 25 Nanometer und sind damit das über 25.000fache kleiner als die Zelle selbst. Inbesondere bei der Behandlung von Krebs haben Mikrotubuli eine zunehmend wichtige Bedeutung. Spezielle Wirkstoffe, welche die Ausrichtung der Chromosomen bei der Teilung von Tumorzellen beeinflussen, sind bereits als Zytostatika oder Chemotherapeutika zugelassen.

Die Basisstruktur der Mikrotubuli wird durch ein sogenanntes Protofilament dargestellt. Dieses besteht aus alpha- und beta-Tubulindimeren, welche in Kombination die verzweigten Untersysteme des Mikrotubulus bilden (Protofilamente).
Der typische Aufbau der spiralförmigen Mikrotubuli wird durch eine Vielzahl an Protofilamenten hervorgerufen, die auch den charakteristischen Aufbau des Hohlkörpers ausmachen. Protofilamente setzen sich nach dem Kopf-Schwanz-Prinzip zusammen. Das heißt: Die Protofilamente weisen an einer Seite nur ringförmige beta-Tubulinsegmente und an der anderen Seite lediglich die alpha-Tubulineinheiten auf. Diese Eigenschaft ist wesentliche Voraussetzung für eine gleichgeschaltete Polarität der Mikrotubuli.

Der Funktion der Mikrotubuli liegen nicht nur die Wechselwirkungen zwischen den Tubulineinheiten, sondern auch innerhalb von den Protofilamenten zugrunde. Die Aufgaben der Mikrotubuli ist daher auch multifunktional. Sie umfassen neben dem Einwirken auf die richtige Anordnung der Chromosomen bei der Mitose ebenfalls die Vesikelbewegung in der Zelle. Die Vesikelaktivität beruht auf einem "Schienensystem", welches den Motoreiweißen als Transportvoraussetzung dient und aus den Mikrotubuli besteht.

Des Weiteren bilden die Mikrotubuli an bestimmten Zelltypen Geißeln oder Zilien zwecks Fortbewegung aus. Ein eindrucksvolles Beispiel für diesen durch die Mikrotubuli begünstigten Vorgang ist das Fortbewegen von Spermien. Auch am Vorgang des Beutegreifens bei der Phagozytose wirken die Mikrotubuli aktiv mit.