放線菌的細胞核同細菌一樣，都為擬核，其實質為一條共價、閉合、環狀、以超螺旋形勢存在的雙鏈DNA分子，又稱核質體。由于放線菌菌絲的細胞質是連通的，故其核質體的數目較多，為典型的多核細胞。菌絲中所含的核質體數一般與菌絲的生長速度有關，在快速生長的菌絲中，核質體DNA可占細胞總體積的15%-20%。
放線菌種類很多，多數放線菌具有發育良好的分支狀菌絲體，少數為桿狀或原始絲狀的簡單形態。菌絲大多無隔膜，其粗細與桿狀細菌相似，直徑為1微米左右。細胞中具核質而無真正的細胞核，細胞壁含有胞壁酸與二氨基庚二酸，而不含幾丁質和纖維素。
以與人類關系最密切、分布最廣、種類最多、形態最典型的鏈霉菌屬為例，鏈霉菌主要由菌絲和孢子兩部分結構組成。