叶绿体基因组在很多方面与线粒体基因组的结构是相似的。叶绿体DNA（cpDNA）是双链环状，缺乏组蛋白和超螺旋。cp DNA中的GC含量与核DNA及mtDNA有 很大的不同。因此可用CsCl密度梯度离心来分离cp DNA。

每个叶绿体中cdDNA的拷贝数随着物种的不同而不同。但都是多拷贝的。这些拷贝位于类核区。例如甜菜的叶细胞中每个类核体有4~8个拷贝的cpDNA，而每个叶绿体有4~18个类核体，每个细胞中约有40叶绿体。每个细胞总共有约6000cpDNA分子。在衣藻中（chlamydomonas）(单细胞生物)在细胞中一个叶绿体含有500~1500 cpDNA分子。

在很多植物中 cpDNA长40~45μm，约是动物mtDNA的8~9倍，一般在121~155Kb之间。大的为195Kb（如衣藻chlamydomonas reinhardi），小的也有85Kb。

从地钱（Liverwort）。烟草和水稻（Oryza sativa）叶绿体全序列分析表明cpDNA基因组成有以下特点：（1）基因组由两个反向重复序列（IR）和一个短单拷贝序列（short single copy seguence, SSC）及一个长单拷贝序列（long single copy seguence, LSC）组成；（2）IRA和IRB长各10-24Kb，编码相同，方向相反。（3）cpDNA启动子和原核生物的相似，有的基因产生单顺反子的mRNA，有的为多顺反子mRNA；（4）尽管cpDNA大小各不相同，但基因组成是相似的，而且所有基因的数目几乎是相同的，它们大部分产物是类囊体的成分或和氧化还原反应有关（表20-7）；（5）其tRNA基因（IRA、IRB上各有7个，LSC上有23个，共37个）中有内合子存在，最长者达2526bp，此和原核tRNA不同。有的内合子位于D环上，此和原核tRNA不同。有的内含子位于D环上，此和真核生物核tRNA内含子常位于反密码子环上也不相同；（6）所有叶绿体基因转录的mRNA都由叶绿体核糖体翻译。

并不是所有的叶绿体都含有IR，IR上含有4种rRNA基因，根据它们排列的情况叶绿体可分为3类：I类是IR 序列，4种rRNA各有2个拷贝，对称分布在IR上cpDNA也较大，如玉米、烟草、水稻、菠菜、地钱、衣藻（C.Yreinhardi），大部分叶绿体都属此类。II类：无反向重复IR，而在cpDNA一侧16S，23S以正向串联重复的形式（各3个拷贝）排列。如少数低等植物，裸藻（Euglena gracilis）；III类：无IR和DR，rRNA只有一拷贝，如豌豆（Posum satirum）等。这可能在进化的过程中DNA片段的重复和倒位而造成的。