Sự khác biệt chính giữa tế bào nhân sơ và tế bào nhân thực là tế bào nhân thực có nhân và các bào quan có màng bao bọc, trong khi tế bào nhân sơ thiếu những cấu trúc này. Tế bào nhân sơ là loại tế bào đơn giản nhất trong số các sinh vật sống, và chúng chỉ tồn tại dưới dạng vi khuẩn đơn bào. Tất cả các sinh vật đa bào và vi khuẩn bậc cao đều bao gồm các tế bào nhân thực.
Sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực cũng khác nhau về kích thước tế bào. Theo Đại học Maryland, tế bào nhân sơ thường có đường kính khoảng 0,2 đến 2,0 micromet, trong khi tế bào nhân thực có đường kính từ 10 đến 100 micromet. Mặc dù cả hai loại tế bào đều có thể có trùng roi, nhưng cấu trúc của các trùng roi này là khác nhau. Tế bào nhân sơ bao gồm hai khối cấu tạo protein, trong khi tế bào nhân thực bao gồm sự sắp xếp phức tạp của các vi ống.
Trong khi tế bào nhân sơ không chứa các bào quan có màng bao bọc, chúng có chứa ribosome. Tuy nhiên, chúng nhỏ hơn các ribosome được tìm thấy trong tế bào nhân thực. DNA của tế bào nhân sơ cũng có dạng tròn chứ không phải dạng thẳng như ở sinh vật nhân chuẩn. Hai loại tế bào cũng phân chia theo các cách thức khác nhau: tế bào nhân sơ bằng cách phân đôi và tế bào nhân thực bằng nguyên phân. Sinh sản hữu tính ở sinh vật nhân sơ chỉ liên quan đến việc chuyển các đoạn DNA giữa hai tế bào, trong khi sinh sản hữu tính ở tế bào nhân thực xảy ra bằng quá trình meiosis.
