葉綠體是雙層膜結構，分為外膜和內膜，但內膜未向內腔折疊，內膜以內是基粒和基質。基粒是由基粒片層結構薄膜組成（線粒體中基粒是一種蛋白質復合體），亦稱類囊體，它有效地增加了葉綠體內的膜面積。葉綠體中基粒的數量及發達程度與其進行光合作用的強度大小有關，光合作用旺盛的細胞中不僅葉綠體的數量多，而且葉綠體中基粒的數量也多，每個基粒中的片層結構薄膜的數量也多，反之亦然。
葉綠體中含有少量的DNA和RNA，線粒體也一樣，在葉肉細胞也能完成自我增殖，在遺傳上不完全依賴于細胞核，有一定的獨立性。
葉綠體中的色素分布在類囊體薄膜上，完成光合作用的整個光反應過程的色素和酶也都在片層結構薄膜上，所以光合作用的光反應是在基粒類囊體的薄膜上進行的。完成暗反應過程的酶在葉綠體的基質中，暗反應過程是在葉綠體基質中進行的。