Điểm khác nhau chủ yếu giữa vi khuẩn gram dương và gram âm liên quan đến thành phần thành tế bào của chúng. Vi khuẩn gram dương có thành tế bào được cấu tạo chủ yếu từ một được gọi là peptidoglycan. Các vi khuẩn này sẽ có màu tím sau khi nhuộm gram. Vi khuẩn gram âm có thành tế bào gồm một lớp mỏng peptidoglycan và màng ngoài có lipopolysaccharid không có ở vi khuẩn gram dương. Vi khuẩn gram âm có màu đỏ hoặc hồng sau khi nhuộm gram. Thành tế bào gram dương được cấu tạo chủ yếu bởi peptidoglycan. Các lớp peptidoglycan này giúp nâng đỡ màng tế bào và cung cấp vị trí liên kết cho các phân tử. Các lớp dày là nguyên nhân khiến cho vi khuẩn gram dương có thể giữ lại hầu hết chất nhuộm tím trong tinh thể trong quá trình nhuộm khiến chúng có màu tím. Tế bào gram dương cũng chứa các chuỗi axit teichoic kéo dài từ màng sinh chất qua peptidoglycan. Axit teichoic giúp một số vi khuẩn Gram dương xâm nhập vào tế bào và gây bệnh.