叶绿体是双层膜结构，分为外膜和内膜，但内膜未向内腔折叠，内膜以内是基粒和基质。基粒是由基粒片层结构薄膜组成（线粒体中基粒是一种蛋白质复合体），亦称类囊体，它有效地增加了叶绿体内的膜面积。叶绿体中基粒的数量及发达程度与其进行光合作用的强度大小有关，光合作用旺盛的细胞中不仅叶绿体的数量多，而且叶绿体中基粒的数量也多，每个基粒中的片层结构薄膜的数量也多，反之亦然。
叶绿体中含有少量的DNA和RNA，线粒体也一样，在叶肉细胞也能完成自我增殖，在遗传上不完全依赖于细胞核，有一定的独立性。
叶绿体中的色素分布在类囊体薄膜上，完成光合作用的整个光反应过程的色素和酶也都在片层结构薄膜上，所以光合作用的光反应是在基粒类囊体的薄膜上进行的。完成暗反应过程的酶在叶绿体的基质中，暗反应过程是在叶绿体基质中进行的。