A substância encontrada em maiores concentrações na parede celular de bactérias Gram-negativas é a mureína.

Na parede celular de bactérias Gram-negativas  a mureína (o mesmo que peptidoglicano) tem apenas cerca de 2 nm de espessura e contribui até 10% da massa seca da parede da célula.

A membrana externa é o elemento estrutural saliente. Contém numerosas proteínas (50% em massa), bem como o lipopolissacarídeo (LPS) clinicamente crítico.

O LPS é um complexo molecular, também conhecido como endotoxina e compreende o lípido A, o polissacárido central e a cadeia de polissacárido O-específico

A membrana externa inclui porinas que são proteínas que formam poros na membrana e permitem a passagem de substâncias hidrofílicas de baixo peso molecular para o espaço periplásmico.

As bactérias Gram-negativas incluem também o espaço periplásmico que é o espaço entre a membrana citoplasmáticainterna e a membrana externa externa. Pode constituir até 40% do volume celular total em espécies Gram-negativas.

O espaço contém uma rede solta de cadeias de peptidoglicano, bem como um gel contendo enzimas hidrolíticas e degradativas. Outras enzimas no gel estão envolvidas em várias vias bioquímicas, incluindo síntese de peptidoglicanos, transporte de eletrões e alteração de substâncias tóxicas para a célula (metabolismo dos xenobióticos). Em algumas espécies, o gel também contém beta-lactamase, uma enzima responsável pela degradação da penicilina. Fato de importância clínica quando se considera a resistência a antibióticos.

 Parede celular das bactérias Gram-negativas. É mostrado a característica camada fina de mureína e a membrana externa conectada a ela por lipoproteínas. Muitas proteínas diferentes são localizadas na membrana externa, inclusive as porinas que são canais hidrofílicos. A camada externa da membrana externa é composta por complexos.  

A parede celular de bactérias Gram-positivas não possui a membrana externa e a sua camada de mureína é mais espessa e contém ácidos teicoicos.

A próxima tabela mostra resumidamente as diferenças mais relevantes entre bactérias Gram-negativas e Gram-positivas.