Lục lạp cũng có cấu trúc màng hai lớp
Màng ngoài rất dễ thấm, màng trong rất ít thấm, giữa màng ngoài và màng trong có một khoang giữa màng. Màng trong bao bọc một vùng không có màu xanh lục được gọi là stroma tương tự như chất nền matrix của ty thể. Stroma chứa các enzyme, các ribosome, ARN và ADN.
Khác với ty thể, màng trong của lục lạp không xếp lại thành crista và không chứa chuỗi chuyền điện tử. Ngược lại, hệ thống quang hợp hấp thu ánh sáng, chuỗi chuyền điện tử và ATP synthetase, tất cả đều được chứa trong màng thứ 3 tách biệt. Màng này hình thành một tập hợp các túi dẹt hình đĩa gọi là thylakoid bản mỏng. Màng của thylakoid tạo nên một khoảng trong thylakoid thylakoid interspace tách biệt với stroma.