放线菌细胞的结构与细菌相似，都具备细胞壁、细胞膜、细胞质、拟核等基本结构。个别种类的放线菌也具有细菌鞭毛样的丝状体，但一般不形成荚膜、菌毛等特殊结构。放线菌的孢子在某些方面与细菌的芽孢有相似之处，都属于内源性孢子，但细菌的芽孢仅是休眠体，不具有繁殖作用，而放线菌产生孢子则是一种繁殖方式。
细胞壁
放线菌细胞壁的结构组成与革兰阳性细菌相似，其主要成分为肽聚糖，既有N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁借助β-1,4糖苷键连接成链状结构，再由胞壁酸上的短肽侧链进一步交联成为立体网格分子。除极个别的例外，放线菌的革兰染色结果一般都为阳性。
在不同种类的放线菌中，短肽侧链上的氨基酸组成略有差异，这些差异常用于对防线菌的分类及鉴定。可以根据细胞壁中的氨基酸组成不同将放线菌的细胞壁分为六种类型：Ⅰ型——含有甘氨酸和L-2,6-二氨及庚二酸和内消旋二氨及庚二酸；Ⅱ型——含有甘氨酸和内消旋二氨基庚二酸：Ⅲ型——只含有内消旋二氨基庚二酸 ：Ⅳ型——含有内消旋二氨基庚二酸、阿拉伯糖和半乳糖：Ⅴ型——含有蓝氨酸和鸟氨酸：Ⅵ型——含有赖氨酸和天门冬氨酸。
放线菌的细胞壁中还含有一些其他的糖类，如阿拉伯糖、半乳糖、木糖及马杜拉糖等。
细胞膜
放线菌的细胞膜是紧贴细胞壁包含细胞质及拟核的一层膜结构。该膜与细菌的细胞膜在结构、化学组成及生物学功能上都极为相似。细胞膜最重要的作用是选择性地进行营养物质的运输及代谢废物的排除，特别是对于营养菌丝，起细胞膜上的载体蛋白种类十分丰富，在放线菌从周围环境吸收营养过程中发挥着重要作用。此外，膜上的各种极性类脂、非极性类脂及细胞色素和醌类等物质在组成细胞膜结构、参与能量代谢及对放线菌的化学分类中都有重要意义。
和细菌相似，放线菌的细胞膜也能特化形成中介体。由于放线菌是长的丝状体，细胞膜形成的中介体数较多。通过细胞膜的内向凹陷，有效的扩大了细胞膜的比表面积，这样更有利于在膜上进行电子传递，丰富了酶的种类和数量。
细胞质及内含物
放线菌是单细胞丝状体，菌丝中无横隔，整个细胞质都是贯通的。细胞质主要是有蛋白质、核酸、糖类、脂类、无机盐和大量的水所组成的半透明的胶状物，其中水的含量为60%-80%，尤其是基内菌丝的含水量更高。最重要的颗粒状内含物是核糖体，此外还有多聚磷酸盐、类脂及多糖等内含物。放线菌细胞质中的糖和其他细胞壁中的糖合称为全细胞糖。不同种类放线菌的全细胞糖类型不同，故在放线菌的传统分类中常作为分类指标。
核区
放线菌的细胞核同细菌一样，都为拟核，其实质为一条共价、闭合、环状、以超螺旋形势存在的双链DNA分子，又称核质体。由于放线菌菌丝的细胞质是连通的，故其核质体的数目较多，为典型的多核细胞。菌丝中所含的核质体数一般与菌丝的生长速度有关，在快速生长的菌丝中，核质体DNA可占细胞总体积的15%-20%。
放线菌种类很多，多数放线菌具有发育良好的分支状菌丝体，少数为杆状或原始丝状的简单形态。菌丝大多无隔膜，其粗细与杆状细菌相似，直径为1微米左右。细胞中具核质而无真正的细胞核，细胞壁含有胞壁酸与二氨基庚二酸，而不含几丁质和纤维素。
以与人类关系最密切、分布最广、种类最多、形态最典型的链霉菌属为例，链霉菌主要由菌丝和孢子两部分结构组成。
菌丝
根据菌丝的着生部位、形态和功能的不同，放线菌菌丝可分为基内菌丝、气生菌丝和孢子丝三种，其中只有典型的放线菌（如链霉菌）具有气生菌丝，原始的放线菌则没有。和霉菌不同，没有直立菌丝（放线菌准确来说不能算细菌，因为形态差异太大，可说霉菌又没有准确特征）。
1．基内菌丝链霉菌的孢子落在适宜的固体基质表面，在适宜条件下吸收水分，孢子肿胀，萌发出芽，进一步向基质的四周表面和内部伸展，形成基内菌丝，又称初级菌丝（primary mycelium）或者营养菌丝，直径在0.2～0.8微米之间，色淡，主要功能是吸收营养物质和排泄代谢产物。可产生黄、蓝、红、绿、褐和紫等水溶色素和脂溶性色素，色素在放线菌的分类和鉴定上有重要的参考价值。放线菌中多数种类的基内菌丝无隔膜，不断裂，如链霉菌属和小单孢菌属等；但有一类放线菌，如诺卡氏菌型放线菌的基内菌丝生长一定时间后形成横隔膜，继而断裂成球状或杆状小体。
2．气生菌丝（aerial mycelium）是基内菌丝长出培养基外并伸向空间的菌丝，又称二级菌丝（secondary mycelium）。在显微镜下观察时，一般气生菌丝颜色较深，比基内菌丝粗，直径为1.0～1.4微米，长度相差悬殊，形状直伸或弯曲，可产生色素，多为脂溶性色素。
3．孢子丝（spore hypha）是当气生菌丝发育到一定程度，其顶端分化出的可形成孢子的菌丝，叫孢子丝，又称繁殖菌丝。孢子成熟后，可从孢子丝中逸出飞散。
放线菌孢子丝的形态及其在气生菌丝上的排列方式，随菌种不同而异，是链球菌菌种鉴定的重要依据。孢子丝的形状有直形、波曲、钩状、螺旋状，螺旋状的孢子丝较为常见，其螺旋的松紧、大小、螺数和螺旋方向因菌种而异。孢子丝的着生方式有对生、互生、丛生与轮生（一级轮生和二级轮生）等多种。
孢子
孢子丝发育到一定阶段便分化为孢子。在光学显微镜下，孢子呈圆形、椭圆形、杆状、圆柱状、瓜子状、梭状和半月状等，即使是同一孢子丝分化形成的孢子也不完全相同，因而不能作为分类、鉴定的依据。孢子的颜色十分丰富。孢子表面的纹饰因种而异，在电子显微镜下清晰可见，有的光滑，有的褶皱状、疣状、刺状、毛发状或鳞片状，刺又有粗细、大小、长短和疏密之分，一般比较稳定，是菌种分类、鉴定的重要依据。孢子的形成为横割分裂，横割分裂有两种方式：
①细胞膜内陷，并由外向内逐渐收缩，最后形成完整的横割膜，将孢子丝分隔成许多无性孢子；
②细胞壁和细胞膜同时内缩，并逐步缢缩，最后将孢子丝缢缩成一串无性孢子。
孢囊
生孢囊放线菌的特点是形成典型孢囊，孢囊着生的位置因种而异。有的菌孢囊长在气丝上，有的菌长在基丝上。孢囊形成分两种形式：有些属菌的孢囊是由孢子丝卷绕而成；有些属的孢囊是由孢囊梗逐渐膨大。孢囊外围都有囊壁，无壁者一般称假孢囊。孢囊有圆形、棒状、指状、瓶状或不规则状之分。孢囊内原生质分化为孢囊孢子，带鞭毛者遇水游动，如游动放线菌属；无鞭毛者则不游动，如链孢囊菌属。
放线菌是一类极其重要的微生物资源。 放线菌与人类的生产和生活关系极为密切，广泛应用的抗生素约70%是各种放线菌所产生。一些种类的放线菌还能产生各种酶制剂（蛋白酶、淀粉酶、和纤维素酶等）、维生素（B12）和有机酸等。弗兰克菌属（Frankia）为非豆科木本植物根瘤中有固氮能力的内共生菌。此外，放线菌还可用于甾体转化、烃类发酵、石油脱蜡和污水处理等方面。少数放线菌也会对人类构成危害，引起人和动植物病害。因此，放线菌与人类关系密切，在医药工业上有重要意义。
自二十世纪四十年代从放线菌中发现了链霉素以来，放线菌生物学的研究开发就蓬勃展开。迄今发现的抗生素上万种，其中有半数以上都是放线菌产生的。其次，酶也是放线菌开发筛选的重要对象，由游动放线菌和链霉菌生产的葡萄糖异构酶以及广泛应用。酶抑制剂也是放线菌开发的一个重要领域，目前已经开发出了多种酶抑制剂。放线菌还是除草剂、抗寄生虫剂及其他药物的重要来源。
