細胞壁較薄，厚約10－15nm，結構也較復雜。肽聚糖含量低，僅占細胞干生10%左右，層薄又較疏松，因肽聚糖之間僅四肽側鏈直接聯結，缺乏五肽橋；肽聚糖居于細胞最內層，外面由內向外還有脂蛋白， 外膜和 脂多糖的三層聚合物。
蛋白質
脂蛋白（lipoprotein） 由 類脂和蛋白質構成，聯結在 外膜與肽聚糖層之間，類脂一端經非 共價鍵聯結到外膜的磷脂上，另一端由共價鍵聯結到肽聚糖肽鏈中的二氧基 庚二酸殘基上，使外膜和肽聚糖層構成一個整體。
外膜
外膜（outer membrane） 是 革蘭氏陰性菌細胞壁的重要結構，位于肽聚糖的外側，其結構類似細胞膜，為 磷脂雙層，其中鑲嵌一些特異蛋白質，穿透外膜的內外雙層。外膜外層分布著 脂多糖分子。外膜中間有微小孔道，容許水溶性的小分子通過，以進行細胞內外的物質運輸和交換。除此之外，外膜還能防止胰蛋白酶和溶菌酶等進入，起到保護性屏障作用。
脂多糖
脂多糖（lipopolysaccharide,LPS） 由多糖O抗原、 核心多糖和類脂A(lipid A)三部分組成（圖1-8），位于 革蘭氏陰性菌外膜外層。多糖O抗原是由若干個低聚糖的重復單位組成的多糖鏈，有特異性。 核心多糖由 庚糖、 半乳糖、2 -酮基-3-脫氧辛酸（2-keto-3-deoxyoctonic acid, KDO）等組成。類脂A是脂化的 葡萄胺 二糖，通過焦磷酸酯鍵組成的一種獨特的 糖脂化合物，具有致熱作用，是革蘭氏陰性細菌內毒素的毒性成分。
細菌內毒素即：許多 病原性細菌所產生的毒素。