放線菌的細胞膜是緊貼細胞壁包含細胞質及擬核的一層膜結構。該膜與細菌的細胞膜在結構、化學組成及生物學功能上都極為相似。細胞膜最重要的作用是選擇性地進行營養物質的運輸及代謝廢物的排除，特別是對于營養菌絲，起細胞膜上的載體蛋白種類十分豐富，在放線菌從周圍環境吸收營養過程中發揮著重要作用。此外，膜上的各種極性類脂、非極性類脂及細胞色素和醌類等物質在組成細胞膜結構、參與能量代謝及對放線菌的化學分類中都有重要意義。
和細菌相似，放線菌的細胞膜也能特化形成中介體。由于放線菌是長的絲狀體，細胞膜形成的中介體數較多。通過細胞膜的內向凹陷，有效的擴大了細胞膜的比表面積，這樣更有利于在膜上進行電子傳遞，豐富了酶的種類和數量。