Клетка цианобактерии - типичная прокариотическая клетка. Она окружена клеточной стенкой грамотрицательного типа, то есть между двумя мембранами - плазмалеммой и внешней мембраной - находится слой плотного полимера (рис. 1д). Клеточные органеллы и ядро отсутствуют, нити ДНК расположены ближе к центру клетки в участках, выглядящих светлыми на срезах клеток (рис. 2). Фотосинтетический аппарат представлен сдвоенными мембранами (рис. 2), их называют тилакоидами. Количество тилакоидов и характер их расположения в клетке различны у разных видов. На поверхности тилакоидов расположены фикобилисомы - структуры, улавливающие фотоны и передающие их реакционным центрам фотосинтетического аппарата. Клетка содержит также полиэдральные тела или карбоксисомы (рис. 2), образованные молекулами ключевого фермента фотосинтеза рибулезодифосфаткарбоксилазы. В клетках цианобактерий, живущих в воде в планктоне, обычно присутствуют газовые везикулы. Они выглядят как шестигранники на поперечном срезе (рис. 1д), а на продольном имеют вид ромба. Газовые везикулы образуют более или менее крупные скопления (рис. 1д), в световом микроскопе они выглядят как светлые сверкающие зерна (рис. 1г). Газовые везикулы содержат газ и придают клеткам лучшую плавучесть. Следует отметить, что газовые везикулы обнаруживаются только у прокариот.
Бактериальные клетки бывают палочковидными, сферическими (кокки) или спиральными. Ввиду мелких размеров бактерий и общего сходства в строении разных видов при их классификации руководствуются обычно физиологическими или биохимическими свойствами, а не морфологическими признаками.