革兰氏阳性菌细胞壁较厚，约20～80nm。肽聚糖含量丰富，有15～50层，每层厚度1nm,约占细胞干重的50～80%。此外，尚有大量特殊组份磷壁酸(teichoic acid)。磷壁酸是由核糖醇(ribitol)或甘油(glycerol)残基经由磷酸二键互相连接而成的多聚物。磷壁酸分壁磷壁酸(wall teichoic acid)和膜磷壁酸(membrane teichoic acid)两种，前者和细胞壁中肽聚糖的n-乙酰胞壁酸连结，膜磷壁酸又称脂磷壁酸(lipteichoic acid)和细胞膜连结，另一端均游离于细胞壁外。磷壁酸抗原性很强，是革兰氏阳性菌的重要表面抗原；在调节离子通过粘肽层中起作用；也可能与某些酶的活性有关；某些细菌的磷壁酸，能粘附在人类细胞表面，其作用类似菌毛，可能与致病性有关。此外，某些革兰氏阳性菌细胞壁表面还有一些特殊的表面蛋白，如a蛋白等，都与致病有关。
革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的细胞壁结构显著不同，导致这两类细菌在染色性、抗原性、毒性、对某些药物的敏感性等方面的很大差异。
革兰氏染色的结果取决于细菌细胞壁的结构即革兰氏染色原理为：G﹢菌：细胞壁厚，肽聚糖网状分子形成一种透性障，当乙醇脱色时，肽聚糖脱水而孔障缩小，故保留结晶紫-碘复合物在细胞膜上。呈紫色。
Gˉ菌：肽聚糖层薄，交联松散，乙醇脱色不能使其结构收缩，其脂含量高,乙醇将脂溶解，缝隙加大，结晶紫-碘复合物溶出细胞壁，沙黄复染后呈红色。革兰氏阳性菌细胞壁厚约20-80nm，有15-50层肽聚糖片层，含20-40%的磷壁酸。革兰氏阴性菌细胞壁厚约10nm，仅2-3层肽聚糖，另外还有脂多糖、细菌外膜和脂蛋白。
放线菌（Actinomycete）是另一大类革兰氏阳性菌，根据DNA中鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)的含量，放线菌被称为高G+C革兰氏阳性菌，而厚壁菌被称为低G+C革兰氏阳性菌。如果细胞的第二层膜是衍生特征，这两类革兰氏阳性菌可能是细菌基部的分支，否则它们可能组成关系相对较近的单系群。它们被认为可能是古细菌和真核生物的祖先，因为它们都缺乏第二层膜，并且具有一些生化上的相似性，比如含有固醇类。此外，尽管恐球菌-栖热菌(Deinococcus-Thermus)类细菌结构上类似革兰氏阴性菌，但也可被染成革兰氏阳性
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