
Els cilis i flagels són estructures complexes amb més de 250 proteïnes diferents. Tots dos contenen una estructura central de microtúbuls i altres proteïnes associades, denominades conjuntament com axonema, envoltat tot això per membrana cel·lular. A l'interior, a més del axonema, es troben una gran quantitat de molècules solubles que participen en cascades de senyalització i que formen l'anomenada matriu. Un axonema consta de 9 parells de microtúbuls exteriors que envolten a un parell central. A aquesta disposició es coneix com (9x2 + 2). El parell central de microtúbuls conté els 13 protofilamentos típics, però les parelles externes comparteixen protofilaments. Els cilis primaris no tenen parell central. A un dels microtúbuls de cada parell perifèric se'l anomena túbul A i a l'altre túbul B. L'A és un microtúbul complet mentre que el B conté només 10 o 11 protofilamentos propis i 2 ó 3 compartits amb el A.
Aquesta disposició es manté gràcies a un entramat de connexions proteiques internes. Almenys dotze proteïnes diferents s'han trobat formant part de l'axonema, les quals estan implicades fonamentalment en mantenir la organització dels microtúbuls. Les parelles de microtúbuls externs estan connectades entre si mitjançant una proteïna anomenada
nexina. Els túbuls A de cada parella estan connectats per ràdis proteics a un anell central que tanca al parell central de microtúbuls. En els microtúbuls externs apareix una proteïna motora associada anomenada
dineína que està implicada en el moviment de cilis i flagels.
Els microtúbuls s'originen per polimerització a partir d'una estructura localitzada al citoplasma cel·lular perifèric anomenada cos basal. L'estructura del cos basal és similar a la dels centríols, és a dir, 9 triplets de microtúbuls que es disposen formant una estructura cilíndrica. Sense el parell central (9x3 + 0). El triplet A conté una forma completa i els altres dos comparteixen protofilaments. Entre el cos basal i l'axonema del cili existeix una zona de transició que té només els 9 doblets típics del cili però no el parell central. Aquest es formarà a partir d'una estructura anomenada placa basal, localitzada entre la zona de transició i el doblet intern.La part del cos basal més propera a l'interior cel·lular s'ancora al citoesquelet mitjançant estructures proteiques anomenades ràdios ciliars.