是典型的單位膜結構，厚約8-10納米，外側緊貼細胞壁，某些革蘭氏陰性菌還具有細胞外膜。細胞膜有多方面的重要功能，它與細胞的物質交換，細胞識別、分泌、排泄、免疫等都有密切的關系。通常不形成內膜系統，除核糖體外，沒有其它類似真核細胞的細胞器，呼吸和光合作用的電子傳遞鏈位于細胞膜上。某些行光合作用的原核生物（藍細菌和紫細菌），質膜內褶形成結合有色素的內膜，與捕光反應有關。某些革蘭氏陽性細菌質膜內褶形成小管狀結構，稱為中膜體（mesosome）或間體，中膜體擴大了細胞膜的表面積，提高了代謝效率，有擬線粒體（Chondroid）之稱，此外還可能與DNA的復制有關。