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组成灵芝的最基本结构，与其他生物体一样也是细胞。但是，组成真菌的许多细胞是串连成丝线状，故被称为菌丝。生长在朽木基质或人工培养基质中的菌丝体与生长发育长成的灵芝子实体，都是由这种串连成丝线状的真菌细胞所组成。
菌丝在光学显微镜下，呈一条细长的丝线状物，它与外界环境之间有细胞壁为分界线，在细胞壁内包含有细胞质、细胞核、液泡、线粒体及质膜等结构。
真菌细胞的细胞壁比较坚韧，主要作用是保持细胞的形状，保护内部的细胞器。在光学显微镜下观察，细胞壁只是一层均匀的透明结构，厚100～250nm。而在电子显微镜下，观察到细胞壁的结构为四层：
最外层：由无定型的β-葡聚糖组成，厚80～90nm。
第二层：由粗网型的糖蛋白组成，组成粗网的网绳粗约25nm，网孔径为75nm，粗网埋于40～50nm厚的基质中，其基质是无定型的葡聚糖，蛋白质的含量由外向内逐渐增多。
第三层：由蛋白质组成，厚8～10nm。
最内层：为几丁质微丝与蛋白质混合构成，厚约20nm，微丝的主要成分是由β-（1→4）键连接的n-乙酰基葡萄糖胺（2-乙酰胺-2脱氧-右旋葡萄糖）残基构成的线状聚合物。
菌丝细胞壁的结构与化学成分，随环境条件及分化程度而发生变化。
横隔膜由细胞壁向内折曲而成，因为是由外向内、由四周向中心折曲，故而在中央留下一个桶状的中心孔。平时，在这个中心孔的两端各有一个似括号帽将其包盖着，括号帽是由内质网发育来的，它可以防止细胞核及线粒体等细胞器在菌丝间流动。
在电子显微镜下，可观察到横隔膜是由内层、外层和中层三层物质构成，其内外两层是不能透过电子的微粒层，中间层为无色透明的电子透光层。它主要是由β-（1→3）和β-（1→6）连接而成的葡聚糖。
细胞质膜夹在细胞壁与细胞质之间，厚7～9nm，主要成分是蛋白质、脂类和一些甘露糖。在电子显微镜下，可观察到三层：内、外两层为深色的不透光层，中间为浅色的中心区。质膜的结构，与液胞膜、内质网等相似，在质膜的内面也附着核糖体。
菌丝中的细胞器包括细胞核、线粒体、微粒体、核糖体、液泡、微管和丝状体等。
1.细胞核
真菌的细胞很小，直径仅2～3μm。在显微镜下观察活体细胞，外层是透明层，中心部分为致密区，用铁矾苏木精可以将中心区染成深色。细胞核是菌丝的“中枢”，是遗传物质的存储、复制和转录的场所，是维持生物特性的关键结构。主要成分为核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA），以及碱性氨基酸、酶类、脂类和无机盐等。其中的核酸与氨基酸结合形成核蛋白体。在电子显微镜下，可观察到细胞核的核包膜，它是由两层膜构成的，外层膜与内质网相连接。在核膜上还保留有许多小孔口。每个细胞中核的大小、形状及数量在一生中是有变化的，通常是1个或2个核，它仅占细胞总体积的0.5%。
2.线粒体
在光学显微镜下，可观察到线粒体为长约30μm、呈环状、念珠状或多分枝状的一些物质。它的功能与动、植物细胞中的线粒体相同，可以为蛋白质、脂肪及糖的代谢提供乙酰辅酶A，并在完成这些物质的代谢过程中，逐步释放出能量。线粒体的表面有双层膜，外膜较薄，内膜较厚，两层膜之间为外室。内膜围成线粒体的内室，由内膜向内折曲形成许多线粒体嵴，在嵴上附着许多核糖体，内室中充填着蛋白质、脂类、糖原及少量的DNA和RNA等组成的基质，其中主要成分是蛋白质，占总重的60%～65%，脂类占35%～40%。线粒体的形成及分裂在DNA的控制下进行。
3.液泡
灵芝细胞中的液泡与植物细胞中的液泡相似，是来自内质网。液泡是由单层膜围成的，内部充满水、盐类、糖类、色素及蛋白质和酶类，其主要功能是贮存营养物质和调节菌丝的渗透压。新生的菌丝中的液泡，是随着菌丝的生长而逐渐形成，并由少到多、由小到大，最后汇合成1个大液泡，体积可达菌丝体积的90%以上。
除上述三种结构外，还有核蛋白体、微粒、微丝、微管、结晶及脂肪滴等结构。值得注意的是，在灵芝菌丝内尚未发现高尔基体，可能是退化了。
细胞质是指细胞膜内除细胞核以外的全部内含物的总称，它包括上述的各种细胞器及内质网系统（ER）。内质网存在于质膜和液泡膜之间，是由一对平行的膜所组成，因其常呈网状，在膜上还保留有许多网孔而得名。在电子显微镜下观察，为一个不连续的片状物，在膜的表面附集着核糖体，这些核糖体常呈小螺旋状排列的群体。内质网的膜与核膜间是连续的。横隔膜上桶状孔的括号帽是内质网特化而成。
组成灵芝菌丝体的菌丝依其形态和来源可分为初级菌丝、次级菌丝和三级菌丝三种。
初级菌丝也称初生菌丝、一次菌丝，它是由担孢子萌发时产生的1个或多个芽管直接形成的。主要特征是：在每一个细胞内萌发初期是多核的，后来只含有1个细胞核，菌丝较细（直径仅1～1.5μm），在整团菌丝中没有锁状联合。它的生长是以孢子内贮存的营养提供能量的，故其寿命很短。
次级菌丝也称次生菌丝、二次菌丝。它是由两条遗传性状不同的异质的初级菌丝相互融合，其中一条菌丝中的一个细胞核移到另一条菌丝的一个细胞中，结果形成一个具有两个细胞核的双核菌丝。次级菌丝对基质的侵染能力较强，并能在基质中形成菌丝体。由次级菌丝形成的菌丝体中可以看到锁状联合，只要基质中营养够其利用，次级菌丝形成的菌丝体的寿命可以达到几年、几十年或更长。
在灵芝的担子中，初期有两个细胞核，经过核配之后，成为一个受精核。在受精核内的核糖体中，有两对等位基因控制着担孢子之间的亲和性，其中一对（Aa）控制着锁状联合的形成，另一对（Bb）控制着核的转移。当受精核经过两次连续的有丝分裂，完成减数分裂之后产生的4个担孢子核中只能有Aa、AB、aB、ab四种基因组合之一种。在这四种类型的担孢子中，只有AB与ab两个担孢子萌发后形成的初级菌丝之间能结合成有正常发育能力的次级菌丝。因此，在理论上讲，灵芝所产生的成熟的担孢子中，能具有亲和性的比例只占1/4。在自然条件下，每个灵芝子实体所产生的许多担孢子中的繁殖率，绝不会超过理论上的25%。在各种环境因子的影响下，能形成次级菌丝的数量与初级菌丝的数量相比，要相差很多。
三级菌丝又称三生菌丝、三次菌丝。当次级菌丝形成的菌丝体生长到一定阶段达到生理成熟后，有些三级菌丝会在基质的表面上扭结形成原基，进而发育成子实体。三级菌丝也是双核菌丝，在形态上与次级菌丝有些相似，但生理功能上有明显的区别。根据菌丝的形态及生理功能的不同，可以把灵芝的三级菌丝分为生殖菌丝、骨架菌丝和联络菌丝三种。
1.生殖菌丝
是一种由细胞壁较薄的次级菌丝发育而来，有横隔，双核，细胞质稠密，有锁状联合，多分枝。由生殖菌丝分化出担子和骨架菌丝及联络菌丝，它是组成灵芝繁殖结构最基本的结构。
2.骨架菌丝
是一种细胞壁较厚、无横隔、无分枝亦无锁状联合、很少有弯曲的双核菌丝，细胞内缺少细胞质和细胞器而被一个大液泡所充填，仅在菌丝顶端部分细胞壁较薄，细胞质浓稠，细胞器完备，并具有继续生长的活力。它是构成灵芝子实体的骨架，起着支持作用。
3.联络菌丝
其细胞壁有薄有厚，有横隔，有分枝，也可见到锁状联合，是双核菌丝。它连接着生殖菌丝和骨架菌丝，具有输送营养的作用。
锁状联合，是一种状似锁臂的菌丝连接，是绝大部分担子菌类在菌丝进行分裂增殖时出现的一种特殊的构造，是双核菌丝分裂时细胞核进行重新分配的一种特有的方式，通过锁状联合，一个双核细胞就可变为两个双核细胞。
锁状联合的形成过程：当双核菌丝开始分裂时，在a、b两核之间的菌丝壁上产生一个小突起的短分枝，分枝向下弯曲呈锁状，b核进入短分枝内，随之a、b两核同时进行有丝分裂，b核在短分枝内斜向分裂，a核沿细胞的长轴方向进行分裂。一个子核b形成在锁状联合内，而另一个子核b′形成在进行分裂的细胞内；与此同时，a核的一个子核a在细胞的另一端形成，而另一个子核a′在靠近细胞的另一端形成，a和a′之间出现隔膜。当子核就位时，锁状分枝已弯曲过来，它的先端与菌丝相融合，因此锁状分枝形成一个接桥。子核b通过它而进入菌丝的一端与子核a相汇合，子核b′则与a′相汇合。同时在锁状联合起源的那一端，形成一个隔膜将它封闭；在桥下垂直方向早先形成的隔膜加固为细胞壁，将菌丝的母细胞分隔开来，形成了具有a、b和a′、b′的双核菌丝（图3-1）。完成锁状联合的过程，一般需要1～2个小时。
锁状联合的主要功能是双核菌丝在进行分裂时保证4个子细胞核重新组成两对细胞核。也有人认为锁状联合就是运送营养物质的一个捷径。
图3-1 锁状联合的形成过程（模式图）
在光学显微镜下，可以看到灵芝子实体的菌盖和菌柄的微细构造，包括皮壳层、菌肉层、菌管层和菌柄四个部分。
灵芝的角质皮壳由外、中、内三层组成的。
外层：由许多排列紧密、较粗的菌丝组成（直径可达11～13μm），菌丝尖端向外平行排列成栅状，与菌盖垂直，细胞壁较厚，细胞内充满树脂质及色素，树脂质使盖面上有了油漆状的光泽，色素则是盖面颜色的来源。
中层：由粗大的厚壁菌丝交织排列而成，菌丝内部含有棕红色的树脂质，也是使菌盖呈现出颜色的物质。
内层：是皮壳到菌肉的过渡带，由一些不含有树脂质或色素的菌丝交织组成，细胞壁也比较厚。
在这三层中，内、外层较薄，中层较厚。紫红色盖面的子实体，中层也较厚；那些发育不够正常、盖面颜色较浅的子实体，其中层则较薄。据报导，灵芝皮壳中树脂层的产生和积累与其含有的漆酶有关。
由一些液泡体积较大的菌丝交织组成，由于这些菌丝排列松散、稀疏交织在一起，间隙较大，使菌肉呈现出木栓质的特性。
由许多平行排列的管状结构组成。菌管壁是由许多菌丝平行排列而成，这些菌丝末端膨大如梨形的担子（图3-2）直径4～7μm，壁很薄，细胞质稠密，内含2个细胞核。随着子实体的生长，担子也逐渐成熟，2个细胞核先是相互融合成1个核（核配），继而连续进行两次有丝分裂（减数分裂），形成4个子细胞核。在减数分裂的同时，担子的游离端产生4个小突起，并稍延长呈锥体状即担子小梗，尖顶处又膨大产生1个卵圆形的担孢子，每个担孢子内有1个细胞核、1个大液泡，细胞质被液泡挤到外周处，故在光学显微镜下呈透明状。当担孢子发育成熟后，在担孢子与担子小梗顶尖处产生1个液泡，液泡吸水膨胀至破裂，担孢子则被液泡破裂时产生的机械力量弹射到菌管的空腔中，并分散出去。
图3-2 菌管局部放大（示担子、担孢子）
灵芝菌柄的内部结构是与菌盖连续的，即外层为紫红色有光泽的皮壳，木栓质的菌肉在内部，无菌管。
在高倍显微镜下，观察到的担孢子呈卵形至卵圆形，孢壁双层，外壁平滑、无色透明，内壁红褐色、有小棘突，孢子内部呈淡黄色至淡黄褐色，油滴黄色至亮黄褐色。在电子显微镜下，可观察到孢壁外层表面有许多小凹坑，并非平滑。
在显微镜下观察人工栽培的灵芝孢子，因孢子的成熟度与营养条件有关，故其形态有明显差异。如用木屑等代料栽培的灵芝孢子，多为个体稍小、皱缩、内含物少，萌发率很低；而用段木栽培的灵芝孢子，则多为个体较大、饱满、表面光滑，萌发率亦高。
灵芝的担孢子为四极性，但从其外部形态及内部结构等方面，皆难区分。其基因上的差别，亦非常规方法能鉴别。
即从孢子萌发开始，经过单核菌丝的初级阶段、双核的次级菌丝和三级菌丝，形成子实体，产生新一代的担子和担孢子的过程就是灵芝的生活史（图3-3）。
图3-3 灵芝生活史（模式图）
1.灵芝；2.子实层局部放大；3.担子；4.担子内核配；5.担子产生担孢子；6.担孢子萌发；7.单核菌丝；8.二条单核菌丝间的质配；9.双核菌丝
1.分布在灵芝菌管壁上的担子，将成熟担孢子弹射散发出去。
2.担孢子萌发产生1至多条芽管，每条芽管内含有多个细胞核，随后产生横隔，每个细胞内仅保留1个核，形成初级菌丝。
3.两条异质的初级菌丝相互融合，完成质配后形成具有双核的次级菌丝。
4.次级菌丝在基质内不断蔓延生长，形成菌丝体。
5.菌丝体生长发育达生理成熟，形成子实体原基，进而分化发育成子实体。
6.子实体的子实层上的担子内完成核配、减数分裂，最后产生4个担孢子。
灵芝的生长发育，从灵芝的生活史中可看到以下特征：
1.灵芝的有性繁殖阶段趋于简化，在一生中只要初级菌丝能完成一次质配，并能形成双核的次级菌丝体，便可生存许多年，每年在适合其生长的季节，都能长出许多子实体，人们就是利用次级菌丝的这一特点，将其分离出来作为栽培用的菌种。
2.双核菌丝中的2个核，只能在子实体的担子中完成核配，受精核经过减数分裂后产生的4个子核的基因型完全不同，其亲和性只有1/4，因而在人工栽培灵芝时，不宜用担孢子作栽培种子。
3.灵芝的一生中，只要初级菌丝能完成一次质配，其三级菌丝分化出来的担子中就可以进行无数次的核配，并能产生4倍于担子数量的担孢子，用增加数量的方式保证其后代的质量。