仙人掌的光合作用途徑與通常的C3、C4植物不同，它是以景天酸代謝（CAM）的方式進行同化作用的，這是對乾旱環境的適應。景天酸代謝途徑的特點是白天氣孔關閉以減少水分蒸騰，夜間氣孔吸收二氧化碳（CO2），在一定範圍內，氣溫越低，CO2吸收越多。以C4二羧酸循環方式，在磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）羧化酶作用下，與磷酸烯醇式丙酮酸和水反應生成草醯乙酸（丁酮二酸），然後經蘋果酸脫氫酶的作用形成蘋果酸，存於大液泡內。白天再以卡爾文循環方式進行光合作用，將夜間積累的蘋果酸經脫羧放出CO2，轉化為六碳糖或澱粉等，完成光合作用。在一定範圍內，溫度越高，脫羧越快，光合作用進行越快。栽培上可利用這一特點，即適當加大溫室內的晝夜溫差，並在晚上提高溫室內的CO2濃度，以加快仙人掌的生長。
仙人掌對水分的利用也充分表現出它對幹早環境的適應。例如，它的莖部表皮有很厚的角質層，角質層表面佈滿蠟質，氣孔深埋在表皮凹陷的坑內，而且常常關閉。這些結構都能有效地阻止水分的喪失。資料表明，1株玉米每天失水三四升，而1株樹木般大的仙人掌每天僅失水25毫升。
仙人掌類植物與植物對水分的利用率也不同，C3植物為1.0～1.5，C4植物為2～3，而仙人掌對水分的利用率卻高達4～10。例如，梨果仙人掌在適宜條件下，1年產生的部分幹物質可達每公頃45噸。
仙人掌莖皮層以下組織的每個細胞中有一個充滿水分的大液泡，其體積占據了整個細胞的85％～90％，因此仙人掌莖能貯存大量的水分。同時仙人掌體內含有很多由多聚糖和蛋白質組成的無色黏液，多糖很容易降解為二碳糖，從而提高細胞液濃度，增加與水分的親和能力和抗早性。這種黏液在仙人掌受傷時還可使傷口迅速形成保護膜，既避免了水分散失，又能防止病菌感染。由於刺座處就是生長點，細胞較小且排列緻密，細胞內含物豐富，細胞質濃度高，保水性更強，所以當仙人掌受傷或氣候極度乾旱時，掌面上許多地方因相繼失水變得乾癟塌陷，而刺座及其周圍組織卻相對失水較少，從外表看依然豐滿，這樣生長點部位就不致因失水過多而受到傷害。
仙人掌長期生活在乾旱環境中，形成了自身的生理特點，不僅有極好的保水性，而且已能夠充分利用空氣中的有限水分。有人做過實驗，把一棵重37.5千克的仙人球放在室內，一直不澆水，過了6年仍然活著，而且重量還有26.5千克，這說明仙人掌能利用周圍最有限的水分以維持其生命活動。在乾旱環境中，仙人掌還練就了「突擊用水」的本領，當雨季來臨時，仙人掌立刻用發達的根系迅速吸足水分並恢復生長；而早季來臨時，它就進入休眠期，使新陳代謝降到最低水準，以減少對水分的消耗。
仙人掌莖部含水量高達88％～95％，其滲透壓遠比其他沙生植物低。在405.3～2026.6千帕（相當於4～20大氣壓）之間。所以，當土壤中可溶性鹽類增多時，仙人掌就不能生存。這一點在栽培上很重要，施肥時決不能一次施入很高的無機化肥，培養土中也不能混有過多的鹽類物質。否則，根部水分將外滲造成植株萎蔫，影響仙人掌的生長。