По своему внешнему виду зооксантеллы представляют собой круглые или слегка овальные буро-зеленые водорослевые клетки. Размеры зооксантелл варьируют от 8 до 14 мкм. При этом их штаммы, которые заселяют хозяев далеко отстоящих друг от друга таксонов могут значимо отличаться по своим размерам. Средние размеры зооксантелл большинства кораллов близки к 9— 11 мкм. Согласно Смиту, зооксантеллы находятся преимущественно внутри клеток эндодермы и гастродермы полипа в полостях их вакуолей. Часть зооксантелл локализована также в межклеточниках. Они отделены от клетки хозяина плотной оболочкой-перипластом, которая имеет сложное строение и состоит минимум из трех мембран, имеющих в своей структуре целлюлозу. Функциональное значение этой внешней оболочки зооксантелл очень велико. Она надежно изолирует ее от атаки лизосом хозяина, предотвращая ее переваривание. В то же время она проницаема для обмена метаболитами с клеткой хозяина. На некоторых ее участках имеются многочисленные выпячивания и отслоения наружной мембраны. Предполагается, что таким путем происходит частичная транслокация продуктов фотосинтеза зооксантелл в клетки хозяина. Выросты клетки полипа образуют своего рода капсулу вокруг зооксантеллы. Неподвижные клетки-цисты в культурах зооксантелл отличаются от симбиотических их клеток, находящихся в тканях хозяина тем, что имеют еще более прочную и толстую оболочку. Она предохраняет их 6т переваривания при «заражении” новых хозяев через содержимое кишечников животных — их жертв.