存在于细菌细胞表面坚韧而略具弹性的结构层。除枝原体等少数类群外，所有细菌均具细胞壁。借助于高渗溶液引起质壁分离和适当的染色方法，可以在光学显微镜下看到细胞壁，在电子显微镜下观察到它的微细结构。

细胞壁一般占细胞干重的10～25%，其结构和化学组成与真核生物有明显的差异。丹麦病理学家革兰（H.C.Gram）1884年利用结晶紫初染、酒精脱色、再用番红复染的技术将细菌区分为革兰阳性（G^＋）菌和革兰阴性（G^-）菌两大类。近代研究表明它们的主要区别在于细胞壁：G^＋细菌的细胞壁单层较厚（15～80nm），由肽聚糖和少量磷壁酸组成。G^-细菌的细胞壁则可区分为内外两层，外壁层厚8～10nm，由蛋白质、脂多糖和脂蛋白组成；内壁层薄1～3nm由肽聚糖组成（见图）。肽聚糖为原核生物所特有，是赋与细菌细胞壁弹性和韧性的主要结构成分。从金黄色葡萄球菌（Strep-tococcus aureus）分离的肽聚糖以N-乙酰葡萄糖胺（NAG）和N-乙酰胞壁酸（NAM）的交互连接为骨架，由L-丙氨酸、D-谷氨酸、L-赖氨酸和D-丙氨酸形成的四肽与NAM结合，并以甘氨酸五肽作为相邻四肽交联的间桥，从而形成了三维立体的网状结构。现已查明：在G^＋细菌中这种网状结构可达数十层，且交联度较高：而在G^-细菌中只有数层且交联度较低。细胞壁的成分和肽聚糖层的结构和厚度，决定了革兰染色过程中的脱色程度。肽聚糖层在电镜下表现出六角形筛状构造，是物质从外界进入细胞的第一屏障，它只让水及小分子化合物通过。磷壁酸是磷酸甘油或磷酸核醇的多聚物，它穿插在肽聚糖层中通过与NAM的结合而加强了肽聚糖结构。脂多糖包含类脂A、核心低聚糖和糖基O侧链三部分，与G^-细菌的毒力和表面抗原性有密切关系。

细菌细胞壁结构示意图

细胞壁的主要作用是保护细胞内部结构的完整性和维持细胞特殊的外形，能忍受外来的机械性（如振摇）和渗透压变化的冲击，维持细胞的生活力。细胞壁是鞭毛运动的支撑点，去壁的细菌可以保持其鞭毛，但失去运动能力。无壁的细胞只能长大，而不能分裂。此外，细胞壁的化学组成还与细菌的致病性和对噬菌体的敏感性有关。

细菌经青霉素处理，影响了细胞壁肽聚糖层结构中肽间桥的合成，因而青霉素对G^＋细菌有抑制作用。