Sel dan organel yang terdapat dalam sel, dilapisi oleh membran yang terutama tersusun oleh lemak dan protein. Lemak yang terdapat pada membran memungkinkan membran berfungsi sebagai barrier yang membatasi pergerakkan molekul yang dapat larut dalam air melewati membran. Molekul protein yang dapat menembus membran sel, berfungsi sebagai tempat lewatnya bahan-bahan tertentu. Selain itu protein yang terdapat pada permukaan membran seperti reseptor, enzim dan pump (pompa) masing-masing berfungsi sebagai katalisator dan pompa yang melakukan transport aktif ion-ion tertentu kedalam maupun keluar sel.
Selain berfungsi sebagai barrier yang permeabilitasnya selektif, membrane sel juga berfungsi mengatur arus informasi antara sel dengan lingkungan sekitarnya. Hal ini dimungkinkan oleh adanya reseptor yang spesifik pada permukaan membrane sel.
Ikatan suatu substrat dengan reseptornya yang spesifik pada permukaan membrane sel akan menyebabkan terjadinya transduksi sinyal yang selanjutnya akan mengaktifkan berbagai mata rantai reaksi biokimia dalam sel, sehingga dapat disimpulkan bahwa membrane sel berfungsi dalam proses komunikasi antar sel.
Membrane sel komposisinya terutama terdiri dari protein 55%, lemak 42%, dan karbohidrat 3%, tetapi persentase ini bervariasi pada berbagai sel. Terdapat 3 jenis yang terdapat pada membrane sel yaitu fosfolipid, kolesterol, dan glikolipid. Pada membrane sel fosfolipid membentuk 2 lapisan (lipid bilayer) dimana lapisan hidrofilik terletak pada bagian luar (berhadapan dengan cairan ekstrasel) dan bagian dalam sel (berhadapan dengan sitoplasma), sementara bagian hidrofobik terletak antara kedua lapisan hidrofilik ini.
Protein atas membrane sel terbagi atas protein integral dan protein perifer. Sebagian besar protein integral membentuk channel pada membrane atau membentuk pompa sebagai tempat lewatnya ion-ion. Sementara protein perifer biasanya hanya terikat dengan protein integral atau dengan bagian hidrofilik membrane, dan umumnya protein perifer ini membentuk enzim.
Karbohidrat pada membrane umumnya dalam bentuk glikolipid dan glikoprotein. Karbohidrat ini berfungsi meningkatkan hidrofilisitas lemak dan protein, mempertahankan stabilitas membrane oleh adanya struktur yang disebut glikokaliks. Glikokaliks akan nberinteraksi dengan glikokaliks sel lain sehingga berfungsi melekatkan satu sel dengan sel yang lainnya. Glikolipid yang terdapat pada membrane sel juga berperan dalam reaksi imunologis, dengan membentuk antigen dalam darah.