Ћелијска мембрана је у ствари течна, као јестиво уље. Упркос томе, код свих живих бића, мембрана је кључна структура која одваја живу ћелију и организам од неживе околине. Мембрана има дебљину од само 4 nm, око пола хиљадитог дела пречника еритроцита, који је једна од мањих ћелија у нашем телу. Да бисте боље схватили колико је мембрана танка у односу на величину целе ћелије, замислите однос каросерије трупа великог путничког авиона и његове величине. Дебљина каросерије трупа авиона је у просеку 1 cm, пречник око 5 m, а дужина око 50 m. Као и каросерија авиона у односу на пречник трупа, дебљина мембране је око 2000-5000 пута мања од пречника ћелије.

На основу свега што данас знамо о живом свету, мембране су засигурно морале бити једна од најранијих ћелијских структура које су се појавиле у еволуцији. Мембрана је активна, селективна граница између ћелије тј. живог бића и његове околине. Све што је унутар тог затвореног „балона од сапунице” јесте предмет деловања хомеостатских механизама, ту се дешавају главни процеси метаболизма и њих ћелија може да контролише. Све што из спољашњости, кроз мембрану, уђе у ћелију постаје састојак ћелије, а што се избаци, није више њен део.

Главну мембрану, која окружује целу ћелију и чини границу између ћелије и околине, зовемо спољашњом, плазма мембраном или плазмалемом. Код прокариотских ћелија, могу се јавити уврати (набори ка унутра) плазма мембране, али нема правих унутрашњих мембрана, одвојених од плазма мембране.

Код еукариотских ћелија, поред плазма мембране, постоје бројне унутрашње мембране, чија укупна површина увелико превазилази површину спољашње мембране. Оне омеђавају унутрашњост различитих органела од цитоплазме, а чине и једров овој. Њиховим постојањем, омогућена је подела еукариотске ћелије на одељке, у којима се одвијају различити процеси. Захваљујући томе, еукариотска ћелија може бити ефикаснија и већа од прокариотске.

У основи, грађа свих мембрана је иста: чини је липидни двослој у који су уроњени протеини. Према нивоу организације, мембрана је добар пример супрамолекулске структуре – састављена је од макромолекула, а сама улази у састав органела. Овакав модел мембране обично зовемо флуидни мозаик. Основу тог „течног мозаика” чини липидни двослој, сачињен првенствено од молекула фосфолипида. Њихове поларне (хидрофилне) главе су окренуте ка воденој средини, на обе стране мембране, док су неполарни (хидрофобни) репови окренути једни ка другима, чинећи хидрофобно средиште двослоја. Главнину тих амфипатичних липида чине молекули фосфолипида, док код еукариота заступљен и холестерол, који може чинити и до 25% липида мембране.

У такав липидни двослој уроњени су интегрални протеини мембране. Независно од улоге коју имају, ови протеини су усађени у двослој захваљујући томе што и сами имају хидрофобне и хидрофилне регионе. Наиме, бочне групе аминокиселина које су истурене тј. окренуте хидрофобном средишту липидног двослоја су и саме неполарне, док су ка воденом раствору на једној и другој површини мембране окренути R-остаци поларних аминокиселина.

Оваква грађа липидног двослоја омогућава нека веома важна својства.

1. Хидрофобне и хидрофилне интеракције (липида, протеина и воде као средине) обезбеђују непрекидност (континуитет) мембране. Ако узмемо у обзир огромне површине мембрана у ћелији, уз њихову јако малу дебљину, мембране изузетно ретко пуцају (прекидају се).
Штавише, мембране никад немају слободну ивицу и увек су затворене структуре, са јасно одређеним странама. Веома слично понашању мехура од сапунице – као и они, и мембране се могу спајати и раздвајати, али увек остају затворене структуре, без слободних ивица.

2. Хидрофобна (неполарна) средина двослоја је врло селективна баријера за пролаз многих супстанци (нарочито поларних и јонских).

3. Таква структура мембране омогућава да она буде флуидни мозаик. То конкретно значи да се и липиди и протеини мембране могу слободно кретати кроз двослој. Кретање је могуће само у равни двослоја, докле год не нарушавају распоред у коме је неполарно с неполарним, а поларно с поларним. Пошто су мањи, липиди се крећу нешто брже и слободније од протеина. Насупрот томе, догађаји у којима молекул липида прелази из једног у други слој двослоја изузетно су ретки, јер подразумевеју да поларна глава прође кроз хидрофобну средину двослоја, што је енергетски јако тешко. Због тога је могуће да састав два слоја липида у мембрани буде различит, што често и јесте.

Флуидност мембране у великој мери зависи од састава липида у њој и од температуре у околини. Слично триацилглицеролима, виши садржај незасићених масних киселина у фосфолипидима мембране учиниће је флуиднијом на истој или нижој температури. Важи и обрнуто – већи удео засићених фосфолипида има за последицу како мању покретљивост липида и протеина у мембрани, тако и мању пропусност самог липидног двослоја за молекуле као што су вода, кисеоник или угљен-диоксид. На нижим температурама, таква мембрана ће да се стегне, као нпр. путер у фрижидеру.

С тим у вези, жива бића су еволуцијом стекла адаптацију да могу да мењају удео засићених и незасићених липида, у складу са температуром. Холестерол ту има двојаку улогу – при ниским температурама, спречава очвршћавање мембране, док при вишим ограничава превелику флуидност (покретљивост).

Протеини мембране су главни носиоци различитих функција мембране. Они су изузетно разноврсни по грађи, а тиме и по улогама. Мембране у различитим деловима ћелије, а још више у различитим ћелијама, веома се разликују по присутним протеинима. Све зависи од функције коју нека ћелија или део ћелије обавља. Према положају, протеини могу бити интегрални (уроњени у сам двослој) или периферни (закачени за мембрану са једне или друге стране). Интегрални протеини могу „излазити” на обе стране мембране, кад их зовемо трансмембрански, или вирити само на једну страну двослоја.

Неке од најважнијих улога протеина у мембрани су: транспорт кроз мембрану, ензимска функција, пренос сигнала (који је стигао до ћелије, ка њеној унутрашњости), међусобно препознавање ћелија, везе између суседних ћелија, везе мембране са ћелијским скелетом или са ванћелијским структурама.

У састав мембране улазе и угљени хидрати, обично као део гликопротеина и гликолипида. Код гликопротеина, олигосахарид, састављен од неколико до двадесетак моносахаридних јединица, ковалентно је везан за протеин мембране. Код гликолипида, олигосахарид је део липида мембране. И једни и други се углавном налазе окренути ка спољној страни плазмалеме. Грађа им је врло специфична за врсту, штавише, различите јединке исте врсте имају различиту грађу тих олигосахарида. Управо су они заслужни за могућност да ћелије организма распознају друге ћелије сопственог, од ћелија страног организма. Ова способност је нарочито важна у одбрани од паразита или препознавању полних ћелија исте врсте.