肌纤维包含许多肌原纤维，它们是肌肉蛋白质组成的圆柱体。这些蛋白质使得肌肉细胞能够收缩。肌原纤维包含两种类型的平行于纤维长轴方向的肌丝，这些肌丝以六边形模式排列，分为粗肌丝和细肌丝。每根粗肌丝周围有六根细肌丝。
粗肌丝和细肌丝都附着在称为Z盘或Z线的另一个结构上，该结构垂直于纤维的长轴（从一个Z线到另一个Z线的肌原纤维称为肌小节）。与Z线垂直的是称为横小管或T小管的结构，它实际上是延伸至纤维深部的细胞膜的一部分。在纤维内部，沿T小管间的长轴伸展的是称为肌质网的膜系统，用来存储和释放激发肌肉收缩的钙离子。
粗肌丝和细肌丝负责完成肌肉的实际工作，而且工作方式相当有趣。粗肌丝由称为肌球蛋白的蛋白质组成。在分子层次上，粗肌丝是由排列成圆柱体的肌球蛋白分子组成的轴状物。细肌丝由另外一种称为肌动蛋白的蛋白质组成，看起来像两串彼此缠绕的珍珠。
收缩过程中，肌球蛋白粗肌丝通过形成横桥抓住肌动蛋白细肌丝。粗肌丝将细肌丝拉过来，使肌小节变短。在肌肉纤维内，指示收缩的信号在整个纤维层次上同步，使构成肌小节的所有肌原纤维同时缩短。
组成运动器官的每一块肌肉都是一个复杂的器官，由肌腹和肌腱两部分组成。
