Ein wesentliches Merkmal allen Lebens ist die Fähigkeit, die äußere Umwelt von dem inneren Raum zu trennen. Dafür haben Zellen halbdurchlässige Membranen entwickelt, die den Fluss an biologischen Molekülen regulieren. Zusätzlich definiert die Zellmembran die Form einer Zelle und ihre Wechselwirkungen mit der äußeren Umgebung. Eukaryotische Zellmembranen dienen auch dazu, den inneren Raum in Organellen zu unterteilen, dazu gehören die inneren Membranstrukturen des Zellkerns, des endoplasmatischen Retikulums und des Golgi-Apparats.

Membranen bestehen hauptsächlich aus Phospholipiden, die aus hydrophilen Köpfen und zwei hydrophoben Schwänzen bestehen. Diese Phospholipide assemblieren sich selbst als Doppelschichten, wobei die Schwänze in die Mitte der Membran gerichtet sind, während die Köpfe nach außen gerichtet sind. Diese Anordnung ermöglicht es polaren Molekülen, mit den Köpfen der Phospholipide sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite der Membran zu interagieren. Jedoch können sie sich nicht durch den hydrophoben Kern der Membran bewegen.

Proteine und Kohlenhydrate tragen zu den einzigartigen Eigenschaften der Membran einer Zelle bei. Integrale Proteine sind in die Membran eingebettet, während periphere Proteine entweder an die nach innenliegende oder nach außenliegende Membran gebunden sind. Transmembranproteine sind integrale Proteine, welche die gesamte Zellmembran durchspannen. Transmembranrezeptorproteine sind wichtig für die Kommunikation von Signalen von der Außenseite mit dem Zellinneren. Wenn sie an ein extrazelluläres Signalmolekül gekoppelt werden, durchlaufen Transmembranrezeptoren eine Veränderung in ihrer Konformation, die wie ein intrazelluläres Signal wirkt. Andere Proteine, wie z.B. Ionenkanäle, steuern den Durchtritt von großen oder polaren Molekülen durch den hydrophoben Kern der Membran.

Kohlenhydrate sind entweder an Lipide oder Proteine auf der Außenseite der Zellmembran gebunden. Die einzigartigen Muster der Glykoproteine und Glykolipide auf der Außenfläche der Zelle ermöglichen die Zellerkennung. Menschliche Immunzellen sind in der Lage, ihres gleichen von fremden Zellen zu unterscheiden, indem sie Kohlenhydratmodifikationen auf den Zelloberflächen erkennen. Die auf einer Membran vorhandenen Proteine, Kohlenhydrate und Lipide bilden zusammen eine funktionelle und flexible Grenze für Zellen.