細胞壁是位於細胞最外層的一層堅韌而略具彈性的結構。它約占細胞幹重的10%—25%。通過特殊染色方法或質壁分離法可在光學顯微鏡下看到細胞壁的存在。它具有固定菌體外形和保護菌體的作用。對有鞭毛的細菌來說，它又是鞭毛運動的必需條件。
細菌細胞壁的主要化學成分是肽聚糖。肽聚糖是由N—乙酰葡糖胺、N—乙酰胞壁酸以及短肽聚合而成的多層網狀結構大分子化合物，其中的短肽一般由4個氨基酸組成，而且常有D一氨基酸和二氨基庚二酸存在。
不同種類細菌細胞壁中肽聚糖的結構與組成不完全相同，一般是由N—乙酰葡糖胺與 N—乙酰胞壁酸重複交替連接構成骨架。短肽接在胞壁酸上，相鄰的短肽又交叉相連，形成網狀結構。相鄰的短肽連接方式隨細菌種類不同而有差別，如在大腸杆菌中是由相鄰的短肽直接相連；在金黃色葡萄球菌中則是通過甘氨酸組成的五肽與相鄰的短肽相連。
各種細菌的細胞壁厚度不等，化學成分不完全相同。革蘭氏陽性細菌的細胞壁較厚，約20—80nm，肽聚糖含量高，約占壁重的40%—90%；另外還含有磷壁酸質。革蘭氏陰性細菌的細胞壁較薄，約10nm。壁雖薄，但結構與化學組成卻比革蘭氏陽性細菌複雜得多。在電子顯微鏡下可見緊靠細胞質膜外有2—3nm厚的肽聚糖層，最外麵還有一較厚（7—9nm）的外壁層。肽聚糖含量低，占5%—10%，所以肽聚糖層薄。外壁層主要由脂蛋白、脂多糖組成。類脂的含量大大高於革蘭氏陽性細菌，但不含磷壁酸質。
革蘭氏染色法可以將細菌分成兩大類：革蘭氏陽性細菌和革蘭氏陰性細菌。革蘭氏染色方法是丹麥的醫生革蘭氏（C.Gram）在1884年首創。現在它是細菌學中一種重要的常用的染色方法。它的程序如下：先用草酸銨結晶紫液染色，再加碘液，使細菌著色，繼而用乙醇脫色，最後用蕃紅（沙黃）複染。如果用乙醇脫色後，仍保持其初染的紫色，稱為革蘭氏染色反應陽性；如果用乙醇處理後迅速脫去原來的顏色，而染上蕃紅的顏色，稱為革蘭氏染色反應陰性。
關於革蘭氏染色的原理，目前一般認為與細菌細胞壁的化學組成、結構和滲透性等有關，主要是物理作用。染色時，染料一碘複合物在細菌細胞內形成。當用95%乙醇作脫色處理時，一方麵能把細胞壁中的脂質抽提出來，另一方麵又使細胞壁引起脫水作用，使肽聚糖的孔徑變小。由於革蘭氏陰性菌的細胞含脂質較多，被乙醇抽提出去後，細胞壁各層結構變得鬆弛，又因其肽聚糖含量較少，雖孔徑也因脫水作用而縮小，但仍有足夠大小的通道和較大的通透性，這樣可使染料一碘複合物被抽提出來，形成革蘭氏陰性反應。反之，革蘭氏陽性細菌的細胞壁含脂質較少，肽聚糖含量高，結構緊密，經乙醇脫水後，細胞壁孔徑大為縮小，通透性明顯降低，染料一碘複合物不易被抽提出來，形成革蘭氏陽性反應。
青黴素的作用主要是阻礙細菌細胞壁中肽聚糖的合成，所以革蘭氏陽性細菌對青黴素尤為敏感。
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