El centro del cilio contiene un complejo de micro túbulos distribuidos de manera uniforme que se llaman , en conjunto: axonema. El axonema está compuesto por un número constante de micro túbulos longitudinales distribuidos en una organizacion consistente de 9 + 2 (fig.5-10tB). Hay dos microtúbulos de ubicación central (singletes) y que estan circundados con uniformidad por nueve dupletes de microtúbulos. Los dos microtúbulos localizados en el centro del núcleo esta separados entre si, y cada uno manifiesta un perfil circular en el corte transversal compuesto por 13 protofilamentos. Cada uno de los nueve dupletes esta compuesto por dos subunidades. En el corte transversal la subunidad A es un microtúbulo compuesto de 13 protofilamentos que manifiesta un perfil circular. La subunidad B posee 10 protofilamentos, manifiesta un perfil circular incompleto en el corte transversal, y comparte tres protofilamentos de la subunidad A.

Diversos complejos proteínicos elásticos se relacionan con el axonema. Los rayos se proyectan desde la subunidad A de cada duplete hacia dentro, en dirección a la cubierta central que rodea a los singletes. Los dupletes vecinos estan conectados por nexina, que se extiende desde la subunidad A de un duplete hasta la subunidad B del duplete adyacente (fig. 5-9e)

La proteína asociada al microtúbulo, dineína, que tiene actividad de ATPasa, sale a manera de rayo de la subunidad A de un duplete hacia la subunidad B del duplete vecino. Estos brazos de dineína están distribuidos a intervalos de 24 nm a lo largo de la subunidad A. La ATPasa de la dineína, al hidrolizar al ATP, brinda la energía para la flexión ciliar. Los brazos de dineína inician el movimiento de los cilios al insertarse transitoriamente a sitios específicos sobre los protofilamentos de los dupletes adyacentes, haciéndolos deslizarse hacia la punta del cilio. Sin embargo, la nexina, proteína elástica que se extiende entre los dupletes adyacentes, limita esta acción en cierto grado, y traduce el movimiento de deslizamiento en movimiento de flexión. Conforme se dobla el cilio, que es un proceso que requiere energía, se estira el complejo de la proteína elástica. Cuando los brazos de dineína se sueltan de la unidad B el complejo proteínico vuelve a su longitud original, y hace volver al cilio a su posición erecta (lo que no requiere energía), con lo que se desplaza el material que está en contacto con la punta de cilio.