Thực vật C4 có giải phẫu lá đặc trưng. Các bó mạch của chúng được bao quanh bằng hai vòng tế bào. Vòng trong, được gọi là các tế bào bó màng bao, chứa các lạp lục giàu tinh bột thiếu hạt khác với các lạp lục trong các tế bào thịt lá có ở vòng ngoài. Vì thế, các lạp lục được gọi là lưỡng hình. Giải phẫu đặc biệt này được gọi là giải phẫu Kranz (Kranz-Crown/Halo). Chức năng chủ yếu của giải phẫu Kranz là cung cấp một khu vực trong đó điôxít cacbon có thể được tập trung đặc hơn xung quanh RuBisCO, vì thế làm giảm quá trình quang hô hấp. Nhằm tạo thuận lợi cho việc duy trì nồng độ cao hơn đáng kể của điôxít cacbon trong bó màng bao so với trong thịt lá, lớp ranh giới của giải phẫu Kranz có độ dẫn thấp đối với điôxít cacbon, một tính chất có thể được tăng cường bởi sự có mặt của chất bần (suberin).
Mặc dù phần lớn thực vật C4 biểu lộ giải phẫu Kranz, nhưng có một loạt các loài vận hành chu trình C4 hạn chế mà không có bất kỳ mô bó màng bao riêng biệt nào. Suaeda
aralocaspica, Bienertia cycloptera vàBienertia sinuspersici là các loài thực vật đất liền sinh sống trong các vùng trũng khô mặn tại các sa mạc Trung và Tây Á. Các loài thực vật này thể hiện sự vận hành cơ chế tích tụ điôxít cacbon C4 một tế bào, nó là độc đáo nhất trong số các cơ chế C4 đã biết. Mặc dù giải phẫu tế bào của các loài này là hơi khác nhau, nhưng nguyên lý cơ bản là
chất lưu chứa đầy các không bào được sử dụng để chia tách tế bào thành các khu vực tách biệt. Các enzym cacboxylat hóa trong tế bào chất vì thế có thể được giữ tách rời ra khỏi các enzym decacboxylaza và RuBisCO trong các lạp lục, một hàng rào khuyếch tán có thể được thiết lập giữa các lạp lục (chứa RuBisCO) và tế bào chất. Điều này cho phép thiết lập một khu vực kiểu bó màng bao và một khu vực kiểu thịt lá trong phạm vi một tế bào. Mặc dù điều này cho phép cơ chế C4 hạn chế có thể vận hành, nhưng nó là tương đối không hiệu quả, do có nhiều rò rỉ CO2 từ khu vực xung quanh RuBisCO có thể diễn ra. Cũng có chứng cứ về thực vật thủy sinh phi-Kranz như thủy thảo (Hydrilla verticillata) thể hiện cơ chế quang hợp C4 trong các điều kiện nóng ấm, mặc dù cơ chế để giảm thiểu rò rỉ CO2 từ khu vực xung quanh RuBisCO hiện tại vẫn chưa được làm rõ.