藍藻不具葉綠體、線粒體、高爾基體、中心體、內質網和液泡等細胞器，細胞器是核糖體。含葉綠素a，無葉綠素b，含數種葉黃素和胡蘿卜素，還含有藻膽素（是藻紅素、藻藍素和別藻藍素的總稱）。
其光合作用系統中具有葉綠素a和光系統Ⅱ，以水為電子供體，放出O2，而其他光合細菌的電子供體一般為H2、H2S和S，不產生氧氣。
一般說，凡含葉綠素a和藻藍素量較大的，細胞大多呈藍綠色。同樣，也有少數種類含有較多
的藻紅素，藻體多呈紅色，如生于紅海中的一種藍藻，名叫紅海束毛藻，由于它含的藻紅素量多，藻體呈紅色，而且繁殖的也快，故使海水也呈紅色，紅海便由此而得名。藍藻雖無葉綠體，但在電鏡下可見細胞質中有很多光合片層，叫類囊體，各種光合色素均附于其上，是含有色素的膜性結構，大大增加了細胞內的膜面積，該結構的主要功能是：進行光合作用。
藍藻的細胞壁和細菌的細胞壁的化學組成類似，主要成分為肽聚糖（糖和多肽形成的一類化合物）；貯藏的光合產物主要為藍藻淀粉和藍藻顆粒體等。細胞壁分內外兩層，內層是纖維素的，少數人認為是果膠質和半纖維素的。外層是膠質衣鞘以果膠質為主，或有少量纖維素。細胞質部分有很多同心環樣的膜片層結果，稱為類囊體，光合色素與電子傳遞鏈均位于此。
藍藻中央在光鏡下較周圍原生質層明亮，為遺傳物質DNA所在部位，相當于細菌的核區，稱為中心質或中央體。“中心質”常不位于中央，與周圍胞質無明確界限。藍藻DNA幾乎裸露，復制可連續進行。DNA平均含量比高等動物細胞還多。
藍藻細胞分裂時，細胞中部向內生長出新橫隔壁，將中心質與原生質分為兩半。一般情況下，兩個子細胞在一個公共的膠質鞘包圍下保持在一起，并不斷分裂而形成絲狀、片狀等多細胞群體。除此之外，藍藻還可以通過出芽、斷裂和復分裂等方式增殖。
內壁可繼續向外分泌膠質增加到膠鞘中。有些種類的膠鞘很堅密拌可有層理，有些種類膠鞘很易水化，相鄰細胞的膠鞘可互相溶和。膠鞘中可有棕、紅、灰等非光合作用色素。藍藻的藻體有單細胞體的、群體的和絲狀體的。最簡單的是單細胞體。有些單細胞體由于細胞分裂后子細胞包埋在膠化的母細胞壁內而成為群體，如若反復分裂，群體中的細胞可以很多，較大的群體可以破裂成數個較小的群體。有些單細胞體由于附著生活，有了基部和頂部的極性分化，絲狀體是由于細胞分裂按同一個分裂面反復分裂、子細胞相接而形成的。有些絲狀體上的細胞都一樣，有些絲狀體上有異形胞的分化；有的絲狀體有偽枝或真分枝，有的絲狀體的頂部細胞逐漸尖窄成為毛體，這也叫有極性的分化。絲狀體也可以連成群體，包在公共的膠質衣鞘中，這是多細胞個體組成的群體。