陽離子脂質分子在結構上由四個部分組成：一個或多個陽離子頭部（head）、連接鏈（spacer）、連接鍵（linker bond）和疏水烴尾（hydrophobic tail）。 陽離子脂質的頭部大都包含胺類基團（除一種脂質含脒基外），從簡單的氨基到被甲基或羥乙基團取代的季銨鹽。陽離子脂質的極性頭起著脂質體與DNA、脂質體-DNA復合物與細胞膜或細胞內其它組分相互結合的作用。

     在陽離子膽固醇衍生物中，帶有叔胺基團的陽離子膽固醇化合物比季銨鹽化合物有更高的轉染活力，并且毒性小得多。帶有多價極性頭基團或具有多個正電荷極性頭的陽離子脂質體轉染效率較高，這可能是因為它與DNA的結合較牢固。 連接鏈的長度能影響陽離子納米脂質體與粘膜表面的相互作用，從而影響轉染活力。一般來說，帶有長連接鏈的陽離子納米脂質體能顯著增強與粘膜表面的相互作用，轉染效率高。 連接鍵是類脂分子很重要的組成部分，它決定了陽離子納米脂質體的化學穩定性和生物可降解性。醚鍵和C-N鍵的化學穩定性較高，但不易被生物降解，一般不適用于體內實驗；含有酯鍵的陽離子納米脂質體較易被生物降解，細胞毒性小，但它們的化學穩定性通常較差。

    通常采用的連接鍵是化學穩定性較高、但又可以生物降解的酰胺鍵和氨甲酰鍵等。 常見的陽離子納米脂質體的疏水烴尾主要有脂肪烴基鏈和膽固醇環。脂肪烴基鏈的碳原子數通常為12至18個，以達到在生理溫度下為脂雙層提供足夠的流動性，又能使脂雙層膜維持一定的剛性，以便為陽離子納米脂質體在體內的脂質融合創造條件。對以脂肪鏈為尾部的脂質體，碳鏈加長會導致轉染效率降低，但在鏈內引入不飽和鍵可提高效率。將膽固醇用作疏水烴尾，效果常常優于脂肪鏈，因為由它參與形成的雙分子層結構更穩定。