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Células Gram-negativas possuem uma quantidade muito menor de peptidoglicano do que as Gram-positivas. Isso faz com que sua parede celular não seja tão espessa e forte quanto a das outras supracitadas, mas sua estrutura é mais complexa devido ao fato da existência de uma membrana de lipoproteínas, polissacarídeos e fosfolipídios, que envolve sua parede celular. A essa membrana dá-se o nome de membrana externa.

Ao invés de possuir uma camada dupla de fosfolipídios, como a membrana plasmática, ela (a membrana externa) possui apenas uma camada. A outra camada é formada por lipopolissacarídeos. Essa última camada é composta por três partes: lipídio A, um polissacarídeo central e uma cadeia lateral O específica. O lipídio A age como uma endotoxina, que se liberada na corrente sanguínea pode levar a sérias condições como febre e choque. Os antígenos O específicos são polissacarídeos cuja composição varia entre cepas de uma mesma espécie. Métodos sorológicos conseguem distinguir as cepas específicas, uma importante ferramenta para a descoberta de agentes etiológicos de certos surtos de uma determinada doença.
Proteínas incorporadas na membrana externa formam canais que permitem a passagem de água e pequenas moléculas para o “interior” da célula (lembrando que após passar pela membrana externa ainda existe a passagem pela membrana interna e a parede celular, não sendo assim uma passagem direta para o citoplasma). Na verdade, antes de atingir a membrana plasmática, o composto passa pelo periplasma (Essa região entre as duas membranas, onde se encontra também a parede celular).
Ao contrário da membrana plasmática, a membrana externa não exerce funções na respiração celular bacteriana.