葉綠體基因組在很多方面與線粒體基因組的結構是相似的。葉綠體DNA（cpDNA）是雙鏈環狀，缺乏組蛋白和超螺旋。cpDNA中的GC含量與核DNA及mtDNA有 很大的不同。因此可用CsCl密度梯度離心來分離cpDNA。
每個葉綠體中cpDNA的拷貝數隨著物種的不同而不同。但都是多拷貝的。這些拷貝位于類核區。例如甜菜的葉細胞中每個類核體有4~8個拷貝的cpDNA，而每個葉綠體有4~18個類核體，每個細胞中約有40葉綠體。每個細胞總共有約6000cpDNA分子。在衣藻中（chlamydomonas）（單細胞生物）在細胞中一個葉綠體含有500~1500 cpDNA分子。
煙草和水稻（Oryza sativa）葉綠體全序列分析表明cpDNA基因組成有以下特點：
1.基因組由兩個反向重復序列（IR）和一個短單拷貝序列（short single copy sequence, SSC）及一個長單拷貝序列（long single copy sequence, LSC）組成；
2.IRA和IRB長各10-24Kb，編碼相同，方向相反。
3.cpDNA啟動子和原核生物的相似，有的基因產生單順反子的mRNA，有的為多順反子mRNA；
4.盡管cpDNA大小各不相同，但基因組成是相似的，而且所有基因的數目幾乎是相同的，它們大部分產物是類囊體的成分或和氧化還原反應有關（表20-7）；
5.其tRNA基因（IRA、IRB上各有7個，LSC上有23個，共37個）中有內合子存在，最長者達2526bp，此和原核tRNA不同。有的內合子位于D環上，此和真核生物核tRNA內含子常位于反密碼子環上也不相同；
6.所有葉綠體基因轉錄的mRNA都由葉綠體核糖體翻譯。
并不是所有的葉綠體都含有IR，IR上含有4種rRNA基因，根據它們排列的情況葉綠體可分為3類：I類是IR 序列，4種rRNA各有2個拷貝，對稱分布在IR上cpDNA也較大，如玉米、煙草、水稻、菠菜、地錢、衣藻（C.Yreinhardi），大部分葉綠體都屬此類。II類：無反向重復IR，而在cpDNA一側16S，23S以正向串聯重復的形式（各3個拷貝）排列。如少數低等植物，裸藻（Euglena gracilis）；III類：無IR和DR，rRNA只有一拷貝，如豌豆（Posum satirum）等。這可能在進化的過程中DNA片段的重復和倒位而造成的。