Todas as membranas celulares apresentam a mesma estrutura básica que consiste em uma bicamada lipídica na qual estão embebidas proteínas globulares, muitas das quais se estendem através da membrana lipídica e sobressaem de ambos os lados. A porção destas proteínas que atravessa a membrana, e que fica embebida dentro da camada lipídica, é hidrofílica, enquanto que a porção ou porções expostas de cada lado da membrana são hidrofóbicas.

Existem três classes de lipídios na membrana plasmática de células animais e vegetais: os fosfolipídeos (os menos abundantes), esteróis e os fitoesteróis.

A membrana plasmática é composta de uma bicamada de moléculas de lipídios. As proteínas que atravessam a bicamada são conhecidas como proteínas periféricas. Outras proteínas chamadas integrais saem da bicamada na face interna da membrana e podem estar ligadas a algumas das proteínas periféricas. A estrutura toda é bastante fluída.

Enquanto as proteínas conferem à membrana sua estrutura básica e sua natureza impermeável, a bicamada lipídica é responsável pela maioria das funções da membrana.

Na superfície externa da membrana pequenas cadeias de carboidratos estão ligadas às porções externas das proteínas das membranas. Esses carboidratos, que formam uma capa na superfície externa da membrana de algumas células eucariontes, são importantes no processo de adesão célula-célula e no “reconhecimento” de moléculas que interagem com a célula.