La membrane cellulaire est principalement composée de phospholipides, de protéines et de glucides. Les phospholipides sont des molécules amphiphiles, ce qui signifie qu'elles ont une tête hydrophile (qui aime l'eau) et deux queues hydrophobes (qui repoussent l'eau). Cette structure particulière des phospholipides conduit à la formation d'une bicouche lipidique, où les têtes hydrophiles sont orientées vers l'extérieur de la membrane, en contact avec l'eau, tandis que les queues hydrophobes se trouvent à l'intérieur, créant une barrière imperméable aux substances hydrophiles. 

Les protéines intégrales et périphériques sont dispersées dans la bicouche lipidique, et elles remplissent une variété de fonctions, notamment le transport sélectif de substances à travers la membrane, la transmission de signaux cellulaires, le maintien de la structure et de la forme de la cellule, et l'adhésion cellulaire. 

Les glucides, quant à eux, sont souvent liés aux protéines ou aux lipides de la membrane pour former des glycoprotéines et des glycolipides, qui sont impliqués dans la reconnaissance cellulaire, l'identification de la cellule et l'adhésion cellulaire. La membrane cellulaire régule activement le passage des substances, telles que les ions, les nutriments et les déchets, à travers un processus appelé transport membranaire, qui peut se produire par diffusion simple, diffusion facilitée, osmose, ou transport actif.