藍(lán)細(xì)菌的細(xì)胞一般比細(xì)菌大，通常直徑為3～10μm，最大的可達(dá)60μm，如巨顫藍(lán)細(xì)菌。根據(jù)細(xì)胞形態(tài)差異，藍(lán)細(xì)菌可分為單細(xì)胞和絲狀體兩大類。單細(xì)胞類群多呈球狀、橢圓狀和桿狀，單生或團(tuán)聚體，如粘桿藍(lán)細(xì)菌和皮果藍(lán)細(xì)菌等屬；絲狀體藍(lán)細(xì)菌是有許多細(xì)胞排列而成的群體，包括；有異形胞的，如魚腥藍(lán)細(xì)菌屬；無異形胞的，如顫藍(lán)細(xì)菌屬；有分支的，如費(fèi)氏藍(lán)細(xì)菌屬。

藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞壁有內(nèi)外兩層，外層為脂多糖層，內(nèi)層為肽聚層。許多能不斷地向細(xì)胞壁外分泌膠粘物質(zhì)，將一群細(xì)胞或絲狀體結(jié)合在一起，形成粘質(zhì)糖被或鞘。細(xì)胞膜單層，很少有間體。大多數(shù)藍(lán)細(xì)菌無鞭毛，但可以“滑行”。藍(lán)細(xì)菌光合作用的部位稱為類囊體，數(shù)量很多，以平行或卷曲方式貼近地分布在細(xì)胞膜附近，其中含有葉綠素和藻膽素（一類輔助光合色素）。藍(lán)細(xì)菌的細(xì)胞內(nèi)含有糖原、聚磷酸鹽、以及藍(lán)細(xì)菌肽等貯藏物以及能固定的羧酶體，少數(shù)水生性種類中還有氣泡。

在化學(xué)組成上，藍(lán)細(xì)菌最獨(dú)特之處是含有兩個或多個雙鍵組成的不飽和脂肪酸，而細(xì)菌通常只含有飽和脂肪酸和一個雙鍵的不飽和脂肪酸。

藍(lán)細(xì)菌的細(xì)胞有幾種特化形式，較重要的是異形胞、靜息孢子、鏈絲段和內(nèi)孢子。異形胞是存在于絲狀體藍(lán)細(xì)菌中的較營養(yǎng)，細(xì)胞稍大，色淺、壁厚、位于細(xì)胞鏈中間或末端，且數(shù)目少而不定的細(xì)胞。異形胞是固氮藍(lán)細(xì)菌的固氮部位。營養(yǎng)細(xì)胞的光合產(chǎn)物與異形胞的固氮產(chǎn)物，可通過胞間連絲進(jìn)行物質(zhì)交換。靜息孢子是一種著生于絲狀體細(xì)胞鏈中間或末端的形大、色深、壁厚的休眠細(xì)胞，胞內(nèi)有貯藏性物質(zhì)，具有抗干旱或冷凍的能力。鏈絲段又稱連鎖體或藻殖段，是長細(xì)胞斷裂而成的短鏈段，具有繁殖功能。內(nèi)孢子是少數(shù)藍(lán)細(xì)菌種類在細(xì)胞內(nèi)形成許多球形或三角形的內(nèi)孢子，成熟后可釋放，具有繁殖功能。