La membrana cellulare, chiamata anche membrana citoplasmatica, è una sottile pellicola che riveste tutta la cellula ed ha un'impalcatura costituita da un doppio strato di lipidi polari, disposti in modo da presentare le code idrofobe affrontate tra loro internamente e le teste idrofile situate esternamente verso le opposte superfici della membrana. In questo doppio strato lipidico sono immerse alcune proteine, dette proteine intrinseche, altre sono adagiate sull'uno e sull'altro versante di esso e sono chiamate proteine estrinseche; sulla superficie esterna si trova anche uno strato ricco di glucidi.
Alcune delle proteine intrinseche attraversano a tutto spessore il doppio strato lipidico, altre invece sono parzialmente immerse solo in uno dei due strati lipidici. La porzione della membrana costituita solo da lipidi e proteine è detta membrana unitaria ed è spessa poco più di 7 nanometri.
Lo strato ricco di glucidi sulla faccia esterna della membrana è detto glico calice ed ha spessore di dimensioni che posso variare da 10, fino a 20 nanometri.
Poiché alla temperatura corporea i lipidi di membrana si trovano in uno stato semifluido, le proteine di membrana o alcuni gruppi di lipidi se non addirittura entrambi possono muoversi nel piano della membrana, perciò la membrana è stata definita mosaico fluido.
La membrana ha la funzioni di separare la cellula dall'ambiente esterno, è responsabile dell'identità immunologica delle cellule di ciascun individuo, permette e regola gli scambi tra la cellula e l'ambiente esterno, è sede di una differenza di potenziale regolabile, svolge attività enzimatiche ed è coinvolta nei meccanismi di ricezione e di trasduzione dei segnali, infine, garantisce l'adesione tra cellula e strutture circostanti; l'adesione cellulare, sia tra cellule che con superfici non cellulari è garantita da sistemi di rinforzo della membrana dette giunzioni intercellulari e giunzioni cellula matrice.
Sulla membrana cellulare possono essere presenti differenziamenti di superficie, che intervengono nei processi di assorbimento, movimento e trasduzione sensoriale, questi possono essere i microvilli, le ciglia e i flagelli.