藍藻的藻體可以是單細胞或是群體，群體形態多樣，包括絲狀體。它們通常不具備鞭毛，因此無法游動，但某些絲狀體能夠伸縮或左右擺動。藍藻的細胞壁由黏肽構成，不含纖維素，外部常包裹一層黏性膠質鞘。藍藻的細胞內沒有真正的細胞核，而是將染色質集中在細胞中央，沒有核膜和核仁。藍藻含有葉綠素和類胡蘿卜素，部分種類還含有藻藍素和藻紅素，這些色素分散在細胞質的邊緣部分，使藻體呈現不同顏色。藍藻主要通過直接分裂進行增殖。分裂時，細胞中部的膜和內胞壁向內增生，將細胞一分為二。分裂方式大致可分為三類：三向分裂，形成單細胞群體或立方形群體；兩向分裂，形成平板狀群體或假薄膜組織狀；單向分裂，形成單細胞個體或絲狀藍藻。藍藻還通過無性生殖形成內生孢子（小孢子）或外生孢子，有些種類還會形成厚壁孢子。這些孢子具有較大的體積和厚實的細胞壁，內部富含營養物質，能夠抵御惡劣環境。藍藻的細胞壁主要由兩層構成，內層是肽聚糖層，外層是脂蛋白層，兩層之間是周質空間，含有脂多糖和降解酶。細胞壁外包裹著多糖構成的粘質膠鞘。細胞壁內有原生質膜，原生質較稠，分為色質區和中心質區。中心質區含有DNA微絲，但沒有堿性蛋白。藍藻的光合色素包括葉綠素a、藻膽素（藻藍素、別藻藍素、藻紅素和藻紅藍素）和多種類胡蘿卜素，能夠利用光能，以水作為電子來源，進行光合作用，固定二氧化碳并釋放氧氣，進行自養生活。在念珠藻目和真枝藻目的許多種類中，絲狀體中含有異形胞。異形胞體積較大，是在化合氮不足的情況下由個別營養細胞分化形成的。它們不能進行光合作用固定二氧化碳或釋放氧氣，但呼吸作用較強，是固氮酶固氮的主要場所。目前，藍藻主要按照英國藻類學家F.E.弗里奇的分類系統，分為色球藻目、寬球藻目、管孢藻目、念珠藻目和真枝藻目等五個目。