تأتي بطاريات الليثيوم عادة في شكلين: أسطواني ومربع. يعتمد الجزء الداخلي من البطارية على هيكل لف حلزوني ، يتم فصله بين الأقطاب الموجبة والسالبة باستخدام مادة عازلة من غشاء بولي إيثيلين رفيعة جدًا وذات نفاذية عالية. يشتمل القطب الموجب على جامع تيار مكون من أكسيد الكوبالت الليثيوم (أو منغنيز النيكل الليثيوم والكوبالت ، ومنغنيز الليثيوم ، وفوسفات الليثيوم الحديدية ، وما إلى ذلك) ورقائق الألومنيوم. يتكون القطب السالب من جامع تيار يتكون من مادة الكربون الجرافيتية ورقائق النحاس. تمتلئ البطارية بمحلول إلكتروليت عضوي. كما أنه مزود بصمام أمان وعنصر PTC (استخدام أسطواني جزئيًا) لحماية البطارية من التلف في حالة الظروف غير الطبيعية وقصر الدائرة الناتج.
الجهد الكهربائي لبطارية ليثيوم أحادية الخلية 3.7 فولت (3.2 فولت للإلكترود الموجب لفوسفات الليثيوم الحديدية) ، وسعة البطارية ليست لانهائية ، لذلك غالبًا ما يكون من الضروري سلسلة وموازاة بطارية الليثيوم أحادية الخلية للوفاء متطلبات المناسبات المختلفة.