細菌外膜分子組成中的一半為蛋白質，外膜中所含的蛋白質種類較多，但僅存在幾種稱為主要蛋白（major proteins）的分子成為外膜蛋白的主要成分，這類蛋白質包括透道蛋白（porins）和外膜A蛋白（Outer membrane protein A，Omp A），這兩類蛋白質的分子量均為35000d左右。此外外膜中還含有胞壁脂蛋白，但其分子量要小得多（7200d）。如果細菌培養環境改變，則主要蛋白的組成可發生變化，如當腸桿菌在富含麥芽糖的培養基中培養時，LamB蛋白（λ噬菌體的受體）便成為一種主要蛋白，而當細菌在無鐵條件下培養時，則參與攝取鐵螯合物的蛋白便成為主要蛋白。

1．脂蛋白（lipoprotein）：是細菌外膜的一種結構蛋白，分子量較小，約7200d，但細菌含有的量較大（7×105分子/細胞）。大約其中的1 /3稱為結合脂蛋白，它通過C-末端賴氨酸的-NH2殘基而與肽聚糖的胞壁酸共價交聯。其余2/3為游離型脂蛋白。脂蛋白N-末端半胱氨酸殘基的-SH基團被二甘油基所取代，而其-NH2基團由一個脂肪酸所酰胺化。脂蛋白的一級結構已闡明，二級結構屬于α-螺旋結構。脂蛋白分子間可發生交聯，故而可形成寡聚體。這一蛋白的親水性順序暴露于外膜的外表面，而脂質部分通過疏水鏈鑲嵌于外膜的磷脂分子中。

脂蛋白結構基因突變的菌株雖然能允許小分子量親水性分子通過外膜；但這種突變株的細胞壁不穩定，外膜成分可以小泡形式釋放出來。因而脂蛋白除作為一種結構蛋白外，還起到穩定細菌外膜—肽聚糖復合體的作用。

2. OmpA蛋白：大腸桿菌OmpA蛋自單體分子量與透道蛋白相似，約為35000d，但它們在SDS中的溶解特性有明顯的差異。因而當OmpA蛋白經SDS加熱再經聚丙烯酰胺凝膠電泳分析時可見到其泳動速度明顯地減小，OmpA蛋白的SDS“加熱修飾性"現象是這種蛋白的一個很重要特性。淋球菌的Ⅱ型蛋白與布氏桿菌的Ⅲ型蛋白同OmpA蛋白具有相同的特性，故而它們可能屬于同一類蛋白質。

與透道蛋白不同的是，OmpA蛋白并不形成對SDS抵抗的寡聚體，雖然在外膜中OmpA蛋白間可發生交聯，但在自然情況下這種蛋白質并不能形成同源性寡聚體，α-衍射研究亦證實了這一點。OmpA蛋白可與脂蛋白聯結在一起。

OmpA蛋白富含β-折疊結構，這樣可以使外膜的厚度增加。同時OmpA蛋白可作為噬菌體的受體并可與肽聚糖層發生交聯。OmpA突變株對于氨基酸的總轉運率下降，亦不能轉運肽類。缺乏OmpA蛋白的突變株細菌的外膜結構不穩定，并缺失細胞接合的功能。大腸桿菌OmpA蛋白氨基酸順序已弄清，其176~187位氨基酸順序為Ala--Val-Ala-Pro-Ala-Pro-Ala-Pro-Ala-Pro-Ala-Pro，相似于免疫球蛋白接合部的區域順序。這一順序將OmpA蛋白分成兩個部分，N-末端部分插入到外膜中，而C-末端暴露在膜的內側。

3．透道蛋白：大腸桿菌K-12由OmpF 、OmpC及PhoE基因編碼的蛋白，稱為透道蛋白，因為它們可形成相對非特異性的通道或透道，而允許小分子親水性物質通過外膜。透道蛋白缺乏的突變株已被證實可允許營養物質，抗菌素及抑制劑擴散入細胞。

其他細菌所產生的透道蛋白有：鼠傷寒沙門氏菌LT2的Om-pD蛋白、大腸桿菌前噬菌體所編碼的Ⅱ型蛋白或LC蛋白、含莢膜大腸桿菌所產生和K蛋白等等。

4．參與特異性擴散過程的蛋白：大腸桿菌的LamB蛋白參與麥芽糖及多聚麥芽糖透過外膜。其他有TSX蛋白或T6受體蛋白（參與核苷酸的轉運）、TonA（FluA）蛋白或T1、Ts受體蛋白（參與高鐵血紅素的攝取）、FepA蛋白（參與Fe3+-螯合物的攝取）及BtuB蛋白（參與維生素B12的攝取）等等。

5．其他蛋白：有一些酶定位于外膜上，這些酶類包括磷脂酶A1及蛋白酶。另外，從明尼蘇達沙門氏菌提取到了一種與內毒素有強烈親和作用的蛋白，其性質不詳。