生活的一个关键特征是将外部环境与内部空间分开的能力。为此，细胞已经进化出半透膜，其调节生物分子的通过。此外，细胞膜定义了细胞的形状和与外部环境的相互作用。真核细胞膜还用于将内部空间区分成细胞器，包括细胞核，内质网和高尔基体的内膜结构。
膜主要由亲水头和两个疏水尾组成的磷脂组成。这些磷脂自组装成双层，尾部朝向膜的中心，头部朝外。这种排列允许极性分子与膜内外的磷脂头相互作用，但阻止它们穿过膜的疏水核心。
蛋白质和碳水化合物有助于细胞膜的独特性质。完整的蛋白质嵌入在膜中，而外周蛋白则附着在膜的内表面或外表面。跨膜蛋白是跨整个细胞膜的完整蛋白质。跨膜受体蛋白是细胞内外信息传递的重要途径。当与细胞外信号分子结合时，跨膜受体发生构象变化，作为细胞内信号。其它蛋白质，如离子通道，起到调节大分子或极性分子穿过疏水膜核心的作用。
碳水化合物与细胞膜外表面的脂质或蛋白质结合。细胞外表面存在的糖蛋白和糖脂的独特模式允许细胞识别。人类免疫细胞通过识别细胞表面的碳水化合物修饰，能够区分自我和非自我。同时，膜上存在的蛋白质、碳水化合物和脂类为细胞创造了功能性和柔性的边界。
