這種細菌盡管簡單，但含有發達的細胞結構，這是其某些獨特的生物結構和致病性的原因。 許多結構特征是細菌獨有的，在古細菌或真核生物中是找不到的。 由于細菌相對于較大的生物體比較簡單，而且它們可以很容易地進行實驗操作，因此對細菌的細胞結構進行了深入研究，揭示了許多隨后應用于其他生物體的生化原理。

也許細菌最基本的結構特性是它們的形態（形狀）。 典型例子包括：

• 球菌（圓形或球形）
• 桿菌（桿狀）
• 球桿菌（介于球體和桿之間）
• 螺旋形（開瓶器狀）
• 絲狀（細長）

細胞形狀通常是給定細菌物種的特征，但會因生長條件而異。 一些細菌具有復雜的生命周期，涉及莖和附屬物的產生（例如莖桿菌屬），而一些細菌產生帶有生殖孢子的復雜結構（例如粘球菌屬、鏈霉菌屬）。 當通過光學顯微鏡檢查時，細菌通常會形成獨特的細胞形態，而當在培養皿上生長時，細菌通常會形成獨特的菌落形態。

也許細菌最明顯的結構特征是（除了一些例外）它們的體積小。 例如，大腸桿菌細胞是一種平均大小的細菌，長約 2 μm（微米），直徑約 0.5 μm，細胞體積為 0.6–0.7 μm3。 這對應于約 1 皮克 (pg) 的濕質量，假設細胞主要由水組成。 單個細胞的干質量可估計為濕質量的 23%，即 0.2 pg。 細菌細胞干物質的大約一半由碳組成，其中大約一半可歸因于蛋白質。 因此，典型的完全生長的 1 升大腸桿菌培養物（光密度為 1.0，對應于 c. 109 個細胞/ml）產生約 1 g 濕細胞團。 小尺寸非常重要，因為它允許較大的表面積與體積比，從而可以快速吸收和細胞內營養物質的分布以及廢物的排泄。 在表面積與體積比較低的情況下，營養物質和廢物在細菌細胞膜上的擴散限制了微生物新陳代謝發生的速度，使細胞的進化適應性降低。 大細胞存在的原因尚不清楚，但推測增加的細胞體積主要用于儲存多余的營養。

典型細菌細胞和典型人類細胞的比較（假設兩個細胞都是球體）：

細胞膜由細胞膜和細胞壁組成。 與其他生物體一樣，細菌細胞壁為細胞提供了結構完整性。 在原核生物中，細胞壁的主要功能是保護細胞免受內部膨脹壓力的影響，該內部膨脹壓力是由于與外部環境相比，細胞內的蛋白質和其他分子濃度更高。 細菌細胞壁與所有其他生物的不同之處在于存在緊靠細胞膜外的肽聚糖。 肽聚糖由等量交替的 N-乙酰胞壁酸 (NAM) 和 N-乙酰葡糖胺 (NAG) 殘基組成的多糖主鏈組成。 肽聚糖負責細菌細胞壁的剛性和細胞形狀的確定。 它是相對多孔的，不被認為是小基材的滲透屏障。

雖然所有細菌細胞壁（少數例外，如細胞外寄生蟲如支原體）都含有肽聚糖，但并非所有細胞壁都具有相同的整體結構。 由于細胞壁是細菌生存所必需的，但在某些真核生物中不存在，因此幾種抗生素（特別是青霉素和頭孢菌素）通過干擾細胞壁合成來阻止細菌感染，同時對沒有細胞壁的人類細胞沒有影響，僅 一個細胞膜。 細菌細胞壁主要有兩種類型，即革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌，它們通過革蘭氏染色特征進行區分。 對于這兩種類型的細菌，大約 2 nm 的顆粒可以穿過肽聚糖。 如果細菌細胞壁被完全去除，則稱為原生質體，而如果部分去除，則稱為原生質球。 β-內酰胺抗生素如青霉素抑制細菌細胞壁中肽聚糖交聯的形成。 人類眼淚中發現的溶菌酶也能消化細菌的細胞壁，是人體抵御眼部感染的主要防御手段。