內毒素由脂多糖與蛋白質復合而成（圖1-2）。脂多糖為革蘭陰性細菌細胞膜表面的主要組成成分，在細菌和外界環境的相互作用中扮演著重要角色。脂多糖約占細菌干重的3.4% ，每個細胞表面約有一百多萬個脂多糖分子，它和蛋白質、磷脂、脂蛋白等共同組成革蘭陰性細菌細胞壁的外膜。脂多糖分子由親水性多糖和疏水性脂質結合組成，故為兩性分子，其中多糖體為雜聚糖聚合而成，如己糖（葡萄糖、半乳糖、甘露糖等）、戊糖（pentose），庚糖（heptose）、鼠李糖（rham nose）等。因具有磷酸根基團，故表面帶有負電荷，進行免疫電泳時，在電滲作用下移向陰極。脂多糖分子的基本結構由三部分共價連接而成，即O特異性抗原多糖（O-specific antigen polysaccharide）、核心多糖（core polysaccharide）及脂質A。脂多糖憑借其脂質A結構錨定在細菌外膜磷脂層的外側部，在某些種屬細菌中脂多糖甚至替代了磷脂。

由于細菌來源不同和提取方法不同，內毒素的結構形態和化學組成可以不同。不同學者報道的脂多糖顆粒大小以及形態差異較大，其相對分子質量約1x106~ 20x106。根據對大腸桿菌、百日咳桿菌及鼠沙門菌的脂多糖的電鏡觀察證實，脂多糖為各種形態的膜碎片：如線狀、環狀、帶狀、細絲狀、小點狀，小泡狀以及板層狀等，均具有相似的表面結構。