細胞膜由雙層磷脂與懸浮其間的蛋白質構成，厚約 7.5 nm，比例不同細胞而有差異，通常是 1:1。在穿透式電子顯微鏡下看來像兩條黑線夾一白線，各為 2.5 nm。利用 Freeze -Fracture 技術可看見細胞膜的「裡面」。內層的外面稱為 P 面而外層的內面稱為 E 面。細胞膜的功能包括：

• 維持細胞結構完整。
• 控制細胞內外物質進出與訊號傳遞。
• 藉由表面的各種抗原、受體，提供辨識功能，並調控細胞間的交互作用。
• 作為細胞質與外界間的一個「介面」。（有些反應乃是發生於「介面上」，而非「介質中」。）

構成細胞膜的磷脂上的兩條脂肪酸尾巴，通常一條是飽和的而另一條是不飽和的，除了磷脂，亦有其他脂類物質如膽固醇、糖脂混雜期間。蛋白質則可分為 integral protein 與 peripheral protein，前者包埋在脂肪中，常與物質傳遞有關；後者則僅是「沾在一側」（通常是細胞裡面一側，偶爾外面），常與 secondary messenger 系統有關。
因為大多數的 intergral protein 是穿過雙脂層，兩端各露出一點，因此又叫做 transmembrane protein。因為這些蛋白質「漂浮」在雙脂層中，如同冰山漂大海，因此這模型便稱作 fulid mosaic model，液體馬賽克模型。不過，在許多細胞──尤其是具有極性的細胞，不同的表面處理不同工作──蛋白質的移動能力則有限。
細胞膜外面有時會有一層毛毛的外套，稱為 cell coat 或者 glycocalyx。通常由碳水化合物鏈組成，厚度不定，厚時可達 50 nm（通常在消化道上皮）。帶豐富負電荷，可由 ruthenium red 或 Alcian blue 染色顯現。功能包括保護、細胞間的辨識與連接。
一些非極性的物質與少數有極性不帶電的物質（如水、甘油）可以直接擴散通過細胞膜。親水物質則藉由蛋白質轉運通過細胞膜，這些蛋白質又可分為 channel（通道）與 carrier（傳送者）兩種，前者不與運送的物質形成鍵結（bind），後者則會。不論是經過哪一種，不耗能而僅由濃度差決定的運送稱為促進性擴散 facilitated diffusion，而消耗能量的運輸則稱為主動運輸 active transport，後者只有 carrier 可做到。
目前已知的 channel 有超過一百種，雖然它們的孔道可讓特定小分子物質自由進出，但多數具有門 gate。藉由控制門的開關，細胞可決定小分子物質是否可以進出。控制方式因不同 channel 而異，可能經過電壓、受質、物理因素，或者 G protein。
Carrier 可因物質結合而可逆的改變形狀，把要傳送的東西抓過膜面，這動作可能耗能或不耗能，若耗能則可逆著濃度梯度而傳送。若直接消耗 ATP，稱為 primary active transport，其中最有名的是 Na-K pump。它直接消耗 ATP，將鈉送出細胞而鉀打入細胞。（二進三出）經由 Na-K pump 所建立的濃度梯度，可以因此控制水的進出（水跟著鈉走，而鉀在打進細胞後又可經由隨時開放的鉀通道跑出細胞，因而不會拉水），也可以產生膜內外的電動勢，藉以提供其他物質運送所需的能源。
若不直接消耗 ATP，而消耗其他物質的濃度梯度（如鈉、鉀），則稱為 secondary active transport。比如將鈉與葡萄糖同時運入細胞的 cotransporter，便是藉由細胞外較濃的鈉濃度來促進葡萄糖的吸收。

部分資料來源：

• color textbook of histology, by Leslie P. Gartner and James L. Hiatt, first edition.