Tế bào nhân sơ có cấu tạo khá đơn giản, gồm có 3 thành phần chính : màng sinh chất, tế bào chất và vùng nhân. Ngoài các thành phần đó, nhiều loại tế bào nhân sơ còn có thành tế bào, vỏ nhầy, roi và lông (hình 7.2).

Hình 7.2. Sơ đồ cấu trúc điển hình của một trực khuẩn

1. Thành tế bào, màng sinh chất, lông và roi.

Phần lớn các tế bào nhân sơ đều có thành tế bào. Được cấu tạo bởi peptiđôglican. Thành tế bào quy định hình dạng của tế bào.

Dựa vào cấu trúc và thành phần hóa học của thành tế bào, vi khuẩn được chia thành 2 loại : Gram dương và gram âm. Khi nhuộm bằng phương pháp nhuộm Gram, vi khuẩn Gram dương có màu tím, vi khuẩn Gram âm có màu đỏ. Biết được sự khác biệt này chúng ta có thể sử dụng các loại thuốc kháng sinh đặc hiệu để tiêu diệt từng loại vi khuẩn gây bệnh.

Một số loại tế bào nhân sơ, bên ngoài thành tế bào còn có một lớp vỏ nhầy (hình 7.2). Những vi khuẩn gây bệnh ở người có lớp vỏ nhầy sẽ ít bị các tế bào bạch cầu tiêu diệt.

Màng sinh chất của vi khuẩn cũng như của các loại tế bào khác đều được cấu tạo từ 2 lớp phôtpholipit và prôtêin.

Một số loài vi khuẩn còn có các cấu trúc được gọi là roi (tiên mao) và lông nhung mao - hình 7.2).

2. Tế bào chất

Tế bào chất là vùng nằm giữa màng sinh chất và vùng nhân hoặc nhân. Tế bào chất ở tế bào nhân sơ gồm 2 thành phần chính là bào tương và ribôxôm cùng một số cấu trúc khác. Không có hệ thống nội màng, các bào quan (trừ ribôxôm) và khung tế bào.

Ribôxôm là bào quan được cấu tạo từ prôtêin và rARN, là nơi tổng hợp các loại prôtêin của tế bào. Trong tế bào chất còn có các hạt dự trữ. 

3. Vùng nhân

Vùng nhân của tế bào sinh vật nhân sơ không được bao bọc bởi các lớp màng và chỉ chứa một phân tử ADN dạng vòng. Vì thế, tế bào loại này được gọi là tế bào nhân sơ (chưa có nhân hoàn chỉnh với lớp màng bao bọc như ở tế bào nhân thực).

Ngoài ADN ở vùng nhân, một số tế bào vi khuẩn còn có thêm nhiều phân tử ADN dạng vòng nhỏ khác được gọi là plasmit.