In een waterig milieu keren de hydrofobe vetzuurstaarten van de fosfolipidemoleculen zich af van de watermoleculen.
Onderling trekken de hydrofobe staarten elkaar aan en zo vormt zich een dubbele laag fosfolipiden. Dit lijkt sterk op het vormen van micellen bij zeep. Een biologische membraan bestaat dus in hoofdzaak uit een dubbele laag fosfolipiden.
Naast fosfolipiden komen er in deze dubbele laag nog andere vetachtige stoffen voor. De belangrijkste is cholesterol. Het gehalte aan deze stof bepaalt de membraanvloeibaarheid, d.w.z. het gemak waarmee de fosfolipiden t.o.v. elkaar kunnen bewegen.
De fosfolipiden in het membraan zijn namelijk voortdurend in beweging. Een membraan is dus niet echt een vaste of harde structuur. Het is veeleer een dun vloeibaar vliesje.
Dit heeft voordelen:
fosfolipidenmembranen zijn zeer flexibel en kunnen allerlei vormen aannemen
zij zijn zelfsluitend, d.w.z. als zij doorboord worden dan vloeit het gat als het ware terug dicht.
Verschillende types van grote eiwitmoleculen (of proteïnen) drijven, zoals ijsbergen in de zee, rond in het membraan.
Bij diercellen komen er glycoproteïnen voor. Deze eiwitten bevatten, aan de buitenzijde van het membraan, zijketens, opgebouwd uit suikermoleculen. Deze eiwitten vormen een soort "vingerafdruk" van de cel. Ieder celtype en elk organisme heeft zijn eigen glycoproteïnen. Deze herkenningslaag aan de buitenkant van de celmembraan noemt men ook de glycocalix. De glycoproteïnen van lichaamsvreemde cellen zijn antigenen waartegen het afweersysteem (vb. witte bloedcellen) antistoffen maakt.
Andere proteïnen fungeren als receptoreiwit. Zij kunnen welbepaalde zeer specifieke stoffen zoals hormonen en neurotransmitters binden. Na binding van deze stof op het receptoreiwit wordt er in de cel zelf een actie op gang gebracht
Verder bestaan er twee soorten transporteiwitten. Een eerste type vormt een kanaal of buisje in het celmembraan waar vrij grote moleculen doorkunnen.Een ander type werkt als een “klapdeurtje” of sluis.
