Una característica clave de la vida es la capacidad de separar el entorno externo del espacio interno. Para ello, las células han desarrollado membranas semi-permeables que regulan el paso de moléculas biológicas. Además, la membrana celular define la forma de una célula y las interacciones con el entorno externo. Las membranas celulares eucariotas también sirven para compartimentar el espacio interno en orgánulos, incluyendo las estructuras endomembranas del núcleo, el retículo endoplasmático y el aparato de Golgi.

Las membranas se componen principalmente de fosfolípidos compuestos de cabezas hidrófilas y dos colas hidrófobas. Estos fosfolípidos se autoensamblan en bicapas, con colas orientadas hacia el centro de la membrana y cabezas colocadas hacia afuera. Esta disposición permite que las moléculas polares interactúen con las cabezas de los fosfolípidos tanto dentro como fuera de la membrana, pero les impide moverse a través del núcleo hidrófobo de la membrana.

Las proteínas y los carbohidratos contribuyen a las propiedades únicas de la membrana de una célula. Las proteínas integrales están incrustadas en la membrana, mientras que las proteínas periféricas se unen a la superficie interna o externa de la membrana. Las proteínas transmembranas son proteínas integrales que abarcan toda la membrana celular. Las proteínas receptoras transmembrana son importantes para comunicar mensajes desde el exterior hasta el interior de la célula. Cuando se une a una molécula de señalización extracelular, los receptores transmembranos experimentan un cambio conformacional que sirve como una señal intracelular. Otras proteínas, como los canales iónicos, sirven para regular el paso de moléculas grandes o polares a través del núcleo de la membrana hidrófoba.

Los carbohidratos se unen a lípidos o proteínas en la cara exterior de la membrana celular. Los patrones únicos de glicoproteínas y glucólidos presentes en la superficie exterior de una célula permiten el reconocimiento celular. Las células inmunitarias humanas son capaces de distinguirse entre sí mismas de las demás reconociendo las modificaciones de carbohidratos en las superficies celulares. Juntos, las proteínas, los carbohidratos y los lípidos presentes en una membrana crean un límite funcional y flexible para las células.