У грамнегативних бактерій стінка (товщина 14-18 нм) складається з двох і більше шарів, які легко помітні, та вкрита зовнішньою мембраною, утвореною білками, фосфоліпідами та ліпополісахаридами, яка слугує бар’єром, що захищає клітину від проникнення багато з’єднань (один з механізмів неспецифічної взаємодії з клітиною).

До складу клітинної стінки грамнегативних бактерій входить зовнішня мембрана, пов’язана за допомогою ліпопротеїну з підлеглим шаром пептидоглікану. На ультратонких зрізах бактерій зовнішня мембрана має вигляд хвилеподібної тришарової структури, подібної до внутрішньої мембрани, яку називають цитоплазматичною.

Усі грампозитивні бактерії оточені єдиним шаром фосфоліпідної мембрани і зазвичай мають товстий шар (20-80 нм) з пептидогліканів (муреїн та ін.), що зберігає на собі барвник Грама.

Грампозитивні бактерії забарвлюють зразок у синій колір після застосування фарбування. Інші бактерії забарвлюють зразок у червоний колір. Вони називаються грамнегативними. Грампозитивні або грамнегативні бактерії забарвлюються різним кольором, тому що стінки їхніх клітин відрізняються одна від одної.