Una caratteristica chiave della vita è la capacità di separare l'ambiente esterno dallo spazio interno. Per fare questo, le cellule hanno sviluppato membrane semi-permeabili che regolano il passaggio di molecole biologiche. Inoltre, la membrana cellulare definisce la forma di una cellula e le interazioni con l'ambiente esterno. Le membrane cellulari eucariotiche servono anche a compartimentare lo spazio interno in organelli, comprese le strutture endomembrane del nucleo, il reticolo endolasmico e l'apparato Golgi.

Le membrane sono composte principalmente da fosfolipidi composti da teste idrofili e due code idrofobiche. Questi fosfolipidi si auto-assemblano in bistrati, con code orientate verso il centro della membrana e teste posizionate verso l'esterno. Questa disposizione consente alle molecole polari di interagire con le teste dei fosfolipidi sia all'interno che all'esterno della membrana, ma impedisce loro di muoversi attraverso il nucleo idrofobico della membrana.

Proteine e carboidrati contribuiscono alle proprietà uniche della membrana di una cellula. Le proteine integrali sono incorporate nella membrana, mentre le proteine periferiche sono attaccate alla superficie interna o esterna della membrana. Le proteine transmembrane sono proteine integrali che si estendono su tutta la membrana cellulare. Le proteine del recettore transmembrana sono importanti per comunicare i messaggi dall'esterno all'interno della cellula. Quando sono legati a una molecola di segnalazione extracellulare, i recettori transmembrani subiscono un cambiamento conformazionale che funge da segnale intracellulare. Altre proteine, come i canali ionici, servono a regolare il passaggio di molecole grandi o polari attraverso il nucleo della membrana idrofobica.

I carboidrati sono legati a lipidi o proteine sulla faccia esterna della membrana della cellula. I modelli unici di glicoproteine e glicolidi presenti sulla superficie esterna di una cellula consentono il riconoscimento cellulare. Le cellule immunitarie umane sono in grado di distinguere se stesse dal non sé riconoscendo le modifiche dei carboidrati sulle superfici cellulari. Insieme, le proteine, i carboidrati e i lipidi presenti su una membrana creano un confine funzionale e flessibile per le cellule.