В 1998 году Stephens et. al. сообщили о секвенировании генома Chlamydia trachomatis. Геном хламидии имеет небольшой размер и составляет не более 15% генома кишечной палочки. Он состоит из хромосомы, содержащей 1042519 пар оснований (58,7% ) и плазмиды, имеющей в своем составе 7493 пар оснований.

Анализ генома позволил выделить 894 гена, кодирующих различные белки. Сходство с ранее исследованными белками других бактерий позволило определить функциональное назначение 604 (68%) кодируемых белков. 35 (4%) белков были схожи с белками, имеющимися у других бактерий. В оставшихся 255 (28%) белках последовательности были непохожи на ранее изученные. Анализ белковых последовательностей показал, что 256 (29%) хламидийных белков группируются в 58 семейств в пределах генома подобно группированию белков у бактерий с небольшим геномом, таких как микоплазмы и Haemophilus influenzae.

Длительное время считалось, что хламидии имеют характерный дефект ряда ферментных систем и не способны самостоятельно окислять глутамин и пируват, а также осуществлять фосфорилирование и эффективное окисление глюкозы. Ранее также предполагалось, что хламидии являются облигатными внутриклеточными энергетическими паразитами, использующими метаболическую энергию эукариотической клетки в виде АТФ и других макроэргических соединений. В настоящее время анализ генома показал, что хламидии способны синтезировать АТФ, хотя и в незначительных количествах, путем гликолиза и расщепления гликогена. Гликолитический цикл редуцирован, поскольку не обнаружены некоторые ферменты, что компенсируется через пентозофосфатный и гексозофосфатные шунты. Некоторые факты, обнаруженные в ходе исследования, не нашли своего объяснения в связи с тем, что хламидии в процессе приспособления к внутриклеточному паразитизму выработали уникальные структуры и биосинтетические механизмы, не имеющие аналогов у других бактерий. Не объяснен тот факт, что у хламидий не обнаружен высококонсервативный ген Ftsz, абсолютно необходимый для клеточного деления всех прокариот, поскольку он ответственен за образование клеточной перегородки во время деления клетки. У хламидии отсутствует пептидогликан -- компонент клеточной стенки существующий как у грамположительных, так и у грамотрицательных бактерий, но при этом в геноме содержатся гены, кодирующие белки, которые необходимы для его полного синтеза. Предполагается, что cинтезируемые пептидогликан или пептидогликановый компонент имеют иные функции, отличные от других бактерий.

Ранее методом сканирующей электронной микроскопии на поверхности хламидий были выявлены куполообразные структуры, пронизанные микрофиламентами. Микрофиламенты, выходящие из их центра достигают мембраны включений и пронизывают ее. Функцию этой структуры связывают с транспортом питательных веществ от эукариотической клетки к паразиту. Обнаружение в геноме хламидий генов, кодирующих аппарат для 3 типа секреции, который обуславливает вирулентность грамотрицательных бактерий, позволил предположить, что это образование осуществляет передачу сигнала от паразита к эукариотической клетке. Функциональное назначение субстрата, секретируемого аппаратом 3 типа секреции неизвестно. Предполагается, что в процессе взаимодействия хламидии с клеткой хозяина вовлечены не только поверхностные структуры хламидий, но и мембраны включений, поскольку в ассоциации с ними обнаружены хламидийные белки, фуцнкциональное назначение которых еще полностью не раскрыто.