Todas as células são envolvidas por uma membrana celular, cujo propósito principal é manter o conteúdo celular unido. A membrana monitora e controla tudo que entra e sai da célula. Diferencia-se conforme o tipo celular: animal ou vegetal. Ex.: membrana animal tem bicamada lipídica flexível; célula vegetal tem parede celular rígida.
A membrana é composta por moléculas lipídicas chamadas fosfolipídios. Cada uma tem uma cabeça polar (hidrofílica, "atrai água") e duas caudas de hidrocarboneto (hidrofóbicas, "repelem água"). Três classes principais de lipídios formam a membrana: fosfolipídios, glicolipídios e colesterol. As proporções variam entre membranas.
Proteínas com funções específicas (transportadoras, antígenos de superfície, enzimas, receptores) também compõem a membrana. Como os lipídios, têm regiões hidrofóbicas e hidrofílicas, ancorando-as na membrana. Encontram-se tanto no lado interno quanto externo. Proteínas que atravessam a bicamada são essenciais no transporte ativo de íons e pequenas moléculas.
A disposição de fosfolipídios e proteínas é crucial: o modelo mosaico fluido. Cabeças hidrofílicas voltadas para o ambiente aquoso externo/interno; caudas hidrofóbicas se tocam, formando uma bicamada.
Adaptações especiais permitem transferir pequenas moléculas polares que não atravessariam o interior hidrofóbico. Uma categoria: proteínas transportadoras. Ex.: proteína canal — permite passagem de solutos com carga e tamanho corretos.
A direção é sempre de área de maior concentração para menor concentração.