Pojedyncza cząsteczka celulozy składa się z 1000–25 000 reszt glukozowych. Długość łańcucha jest zależna od gatunku rośliny, jest także różna dla ściany komórkowej pierwotnej i wtórnej. Cząsteczki celulozy tworzą struktury wyższego rzędu nazywane mikrofibrylami i makrofibrylami. Pojedyncza fibryla elementarna składa się zwykle z 36 ułożonych równolegle cząsteczek celulozy. Mikrofibryle tworzone są przez 3–4 fibryle elementarne, zaś makrofibryle składają się z 200–400 mikrofibryl. Struktury te są widoczne pod mikroskopem świetlnym i mają średnicę około 0,2–0,5 μm.
W komórkach roślinnych mogą występować dwie warstwy ściany komórkowej. Młode komórki wykształcają jedynie cienką ścianę pierwotną. W jej skład wchodzą wyłącznie elementy szkieletowe z celulozy oraz macierz z hemiceluloz, pektyn oraz białek. Zawartość celulozy wynosi około 20%. Taka ściana komórkowa jest cienka i bardzo elastyczna. Komórki, które przestały się powiększać, wytwarzają kolejną warstwę ściany komórkowej nazywaną ścianą wtórną. Nowe warstwy nakładane są od strony protoplastu. Zwykle w trakcie pogrubiania ściany komórkowej nakładane są trzy warstwy składające się na ścianę wtórną. Ich podstawowe składniki nie różnią się od substancji budujących ścianę pierwotną, jednak zawartość celulozy może być znacznie większa niż w ścianie pierwotnej.