藍細菌的細胞一般比細菌大，通常直徑為3～10μm，最大的可達60μm，如巨顫藍細菌。根據細胞形態差異，藍細菌可分為單細胞和絲狀體兩大類。單細胞類群多呈球狀、橢圓狀和杆狀，單生或團聚體，如粘杆藍細菌和皮果藍細菌等屬；絲狀體藍細菌是有許多細胞排列而成的群體，包括；有異形胞的，如魚腥藍細菌屬；無異形胞的，如顫藍細菌屬；有分支的，如費氏藍細菌屬。
藍細菌細胞壁有內外兩層，外層為脂多糖層，內層為肽聚層。許多能不斷地向細胞壁外分泌膠粘物質，將一群細胞或絲狀體結合在一起，形成粘質糖被或鞘。細胞膜單層，很少有間體。大多數藍細菌無鞭毛，但可以“滑行”。藍細菌光合作用的部位稱為類囊體，數量很多，以平行或卷曲方式貼近地分布在細胞膜附近，其中含有葉綠素和藻膽素（一類輔助光合色素）。藍細菌的細胞內含有糖原、聚磷酸鹽、以及藍細菌肽等貯藏物以及能固定的羧酶體，少數水生性種類中還有氣泡。
在化學組成上，藍細菌最獨特之處是含有兩個或多個雙鍵組成的不飽和脂肪酸，而細菌通常隻含有飽和脂肪酸和一個雙鍵的不飽和脂肪酸。
藍細菌的細胞有幾種特化形式，較重要的是異形胞、靜息孢子、鏈絲段和內孢子。異形胞是存在於絲狀體藍細菌中的較營養，細胞稍大，色淺、壁厚、位於細胞鏈中間或末端，且數目少而不定的細胞。異形胞是固氮藍細菌的固氮部位。營養細胞的光合產物與異形胞的固氮產物，可通過胞間連絲進行物質交換。靜息孢子是一種著生於絲狀體細胞鏈中間或末端的形大、色深、壁厚的休眠細胞，胞內有貯藏性物質，具有抗幹旱或冷凍的能力。鏈絲段又稱連鎖體或藻殖段，是長細胞斷裂而成的短鏈段，具有繁殖功能。內孢子是少數藍細菌種類在細胞內形成許多球形或三角形的內孢子，成熟後可釋放，具有繁殖功能。
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