Bakteria posiada nietypową ścianę komórkową, zbudowaną z czterech warstw widocznych w mikroskopie elektronowym, z czego jedna - najbardziej zewnętrzna - odpowiada za utrzymanie kształtu komórki. Warstwa ta na przekroju wykazuje prążkowanie, natomiast widziana przez mikroskop transmisyjny – heksagonalne otwory. Pozostałe trzy warstwy nie są dokładniej zbadane. W ścianie komórkowej występują także specyficzne dla rodzaju Deinococcus karotenoidy (ang. Deinoxanthin) o udowodnionych działaniach antyoksydacyjnym i zwiększającym odporność na promieniowanie jonizujące i temperaturę. Karotenoidy te współpracują przy tym ostatnim ze specyficznymi kompleksami białkowymi.
Bakteria najprawdopodobniej posiada w swojej cytoplazmie substancję, która wykazuje odporność na promieniowanie, gdyż udowodniono, że bakterie pałeczki okrężnicy zanurzone w ekstrakcie z D. Radiodurans również przeżywały wyższe dawki promieniowania.