在革兰氏阴性菌的表层，有由肽葡聚糖形成的细胞壁，在壁的外面，又有由蛋白质、磷脂质、脂多糖形成的膜层，与里面的细胞质膜相对应，特称此层为细菌外膜。外膜比细胞质膜的磷脂质含量低，但脂多糖的含量则比较高。外膜的蛋白质与细胞质膜不同，主要部分为数种蛋白质所构成。其主要蛋白质的部分与特异的内面的肽葡聚糖以共价键结合。脂多糖存在于外膜的最外层。在外膜中仅知有磷脂酶，在细胞与外界的联系中，已看到有许多功能的蛋白质，即有各种噬菌体、维生素B12、大肠杆菌素等的受体存在，而其一部分蛋白质则与DNA的复制、细胞分裂有关，此外，外膜对水溶性低分子物质容易透过，但对抗菌物质则是透过的屏障，它对革兰氏阴性菌间的透过性带来很大的差异。