Uma característica fundamental da vida é a capacidade de separar o ambiente externo do espaço interno. Para isso, as células desenvolveram membranas semi-permeáveis que regulam a passagem de moléculas biológicas. Além disso, a membrana celular define a forma de uma célula e as interações com o ambiente externo. As membranas celulares eucarióticas também servem para compartimentalizar o espaço interno em organelos, incluindo as estruturas endomembranares do núcleo, retículo endoplasmático e aparelho de Golgi.

As membranas são compostas principalmente de fosfolípidos compostos por cabeças hidrofílicas e duas caudas hidrofóbicas. Estes fosfolípidos organizam-se eles próprios em bicamadas, com caudas orientadas para o centro da membrana e cabeças posicionadas para fora. Este arranjo permite que as moléculas polares interajam com as cabeças dos fosfolípidos dentro e fora da membrana, mas impede que elas se movam através do núcleo hidrofóbico da membrana.

Proteínas e carboidratos contribuem para as propriedades únicas da membrana de uma célula. Proteínas integrais são incorporadas na membrana, enquanto que proteínas periféricas estão anexadas à superfície interna ou externa da membrana. Proteínas transmembranares são proteínas integrais que abrangem toda a membrana celular. Proteínas receptoras transmembranares são importantes para comunicar mensagens de fora para o interior da célula. Quando ligados a uma molécula de sinalização extracelular, os receptores transmembranares sofrem uma mudança conformacional que serve como um sinal intracelular. Outras proteínas, como canais iónicos, servem para regular a passagem de moléculas grandes ou polares através do núcleo hidrofóbico da membrana.

Os carboidratos estão ligados a lípidos ou proteínas na superfície exterior da membrana da célula. Os padrões únicos de glicoproteínas e glicolípidos presentes na superfície externa de uma célula permitem que o reconhecimento celular ocorra. As células imunitárias humanas são capazes de distinguir-se de si mesmas reconhecendo as modificações de carboidratos nas superfícies celulares. Juntos, as proteínas, carboidratos e lípidos presentes em uma membrana criam um limite funcional e flexível para as células.