细胞膜或称胞质膜，位于细胞壁内侧，紧包着细胞质厚约7.5nm，柔韧致密，富有弹性，占细胞干重的10%-30%。细菌细胞膜的结构与真核细胞者基本相同，由磷脂和多种蛋白质组成，但不含胆固醇。细菌细胞膜是细菌赖以生存的重要结构之一，其主要功能包括物质转运、呼吸和分泌等。
1、物质转运：细菌细胞膜形成疏水性屏障，允许水和某些小分子物质被动性扩散特异性营养物质的选择性进入和废物的排出、及透性酶参与营养物质的主动摄取过程。
2、呼吸和分泌：因细菌无线粒体结构，参与细胞氧化呼吸的细胞色素组成呼吸链的其他酶类及三羧酸循环的某些酶均定位于细胞膜表面。因此，细菌细胞膜类似于真核细胞的线粒体在细胞呼吸和能量代谢中发挥重要作用。
3、生物合成：细胞膜含有多种酶类，参与细胞结构（如肽聚糖、磷脂、鞭毛和荚膜等）的合成。其中与肽聚糖合成有关的酶类（转肽酶或转糖基酶），是青霉素作用的主要靶位，称为青霉素结合蛋白，与细菌的耐药性形成有关。
4、参与细菌分裂：细菌部分细胞膜内陷、折叠、卷曲形成的囊状物，称为中介体。中介体多见于革兰阳性细菌，常位于菌体侧面（侧中介体）或 靠近中部（横膈中介体），可有一个或多个。
中介体一端连在细胞膜上，另一端与核质相连，细胞分裂时中介体亦一分为二，各携一套核质进入子代细胞，类似真核细胞纺锤丝的作用。中介体的形成，有效地扩大了细胞膜面积，相应地增加了酶的含量和能量的产生，其功能类似于真核细胞的线粒体，故亦称为拟线粒体。