La parte más externa de las células procariotas es su pared celular, y en su caso la cápsula o glicocálix. Gracias a ella podemos distinguir dos grandes grupos de bacterias: Gram+ y Gram-.

A continuación encontramos la membrana celular, que excepto en el caso de las arqueobacterias, es como la de las células eucarióticas, una bicapa (doble capa) de lípidos con proteínas, pero más fluida y permeable por no tener colesterol. Para adaptarse a los cambios de temperatura del medio, las bacterias varían la longitud y el grado de saturación de las cadenas apolares de los lípidos de la bicapa con el fin de mantener la fluidez.

Asociadas a la membrana se encuentran muchas enzimas, como las que intervienen en los procesos de utilización del oxígeno. Cuando las bacterias realizan la respiración celular necesitan aumentar la superficie de su membrana, por lo que presentan invaginaciones (pliegues)  hacia el interior, los mesosomas. En las células procarióticas fotosintéticas hay mesosomas asociadas a la presencia de las moléculas que aprovechan la luz en los procesos de fotosíntesis.

Algunas bacterias tienen uno o más flagelos bacterianos que sirven para el movi­miento de la célula. Su disposición es característica en cada especie y resulta útil para identificarlas. Su estructura y modo de actuar son muy diferentes a los de los flagelos de las células eucarióticas. No están rodeados por la membrana celular, sino que cons­tan de una sola estructura alargada, formada por la proteína flagelina, anclada median­te anillos en la membrana. Mueven la célula girando, como si fueran las hélices de un motor.

Muchas especies tienen también fimbrias o pelos (pili), proteínas filamentosas cortas que se proyectan por fuera de la pared celular. Algunos pili ayudan a las bac­terias a adherirse a superficies; otros facilitan la unión a otras bacterias para que se pueda producir la conjugación, esto es, una transmisión de genes entre ellas.

En el interior celular, dispersos en el plasma, se encuentran una gran cantidad de ribosomas, un poco más pequeños que los ribosomas eucarióticos (70S en lugar de 80S), pero con la misma configuración general. El nucleoide o zona en que está situa­do el cromosoma bacteriano está formado por una única molécula de ADN circular de doble cadena, asociada con unas pocas proteínas no histónicas. Esta molécula per­manece anclada en un punto de la membrana plasmática. Las bacterias pueden tener uno o más plásmidos, pequeños círculos autorreplicantes de ADN que tienen unos pocos genes. Ciertos plásmidos pueden entrar y salir del cromosoma bacteriano; cuan­do están incorporados se llaman episomas.