放線菌是單細胞絲狀體，菌絲中無橫隔，整個細胞質都是貫通的。細胞質主要是有蛋白質、核酸、糖類、脂類、無機鹽和大量的水所組成的半透明的膠狀物，其中水的含量為60%-80%，尤其是基內菌絲的含水量更高。最重要的顆粒狀內含物是核糖體，此外還有多聚磷酸鹽、類脂及多糖等內含物。放線菌細胞質中的糖和其他細胞壁中的糖合稱為全細胞糖。不同種類放線菌的全細胞糖類型不同，故在放線菌的傳統分類中常作為分類指標。
