叶绿体的包膜由内外两层膜组成,对各种各样的离子以及种种物质具有选择透过性。在叶绿体内部有基质、富含脂质和质体醌的质体颗粒,以及结构精细的内膜系统(片层构造,内囊体)。在基质中水占叶绿体重量的60%—80%,这里有各种各样的离子、低分子有机化合物、酶、蛋白质、核糖体、RNA、DNA等。在绿藻、褐藻,红藻、接合藻、硅藻等许多藻类的叶绿体中存在着淀粉核。构成内膜系统微细结构基础的是内囊体。在具有基粒的叶绿体中重叠起内囊体或复杂地折叠起来,分化成所谓的基粒堆(grana stack)和与之相联系的膜系统[基粒间片层(intergrana lamellae)。各种光合色素和光合成电子传递成分、磷酸化偶联因子等存在于内囊体中,色素被光能激发、电子传递、直到ATP合成都在内囊体上及其表面附近进行。利用由此生成的NADPH和ATP在基质中进行二氧化碳固定。