在革兰氏阴性菌的表层,有由肽葡聚糖形成的细胞壁,在壁的外面,又有由蛋白质、磷脂质、脂多糖形成的膜层,与里面的细胞质膜相对应,特称此层为细菌外膜.外膜比细胞质膜的磷脂质含量低,但脂多糖的含量则比较高.外膜的蛋白质与细胞质膜不同,主要部分为数种蛋白质所构成.其主要蛋白质的部分与特异的内面的肽葡聚糖以共价键结合.脂多糖存在于外膜的最外层.在外膜中仅知有磷脂酶,在细胞与外界的联系中,已看到有许多功能的蛋白质,即有各种噬菌体、维生素B12、大肠杆菌素等的受体存在,而其一部分蛋白质则与DNA的复制、细胞分裂有关,此外,外膜对水溶性低分子物质容易透过,但对抗菌物质则是透过的屏障,它对革兰氏阴性菌间的透过性带来很大的差异.
对于古细菌来说,细胞壁不含肽聚糖,有的以蛋白质为主,有的含杂多糖,有的类似于肽聚糖,但都不含胞壁酸、D型氨基酸和二氨基庚二酸.