Наружная клеточная мембрана (плазмалемма, цитолемма, плазматическая мембрана) животных клеток покрыта снаружи (т.е. на стороне, не контактирующей с цитоплазмой) слоем олигосахаридных цепей, ковалентно присоединенных к мембранным белкам (гликопротеины) и в меньшей степени к липидам (гликолипиды). Это углеводное покрытие мембраны называется гликокаликсом. Назначение гликокаликса пока не очень ясно; есть предположение, что эта структура принимает участие в процессах межклеточного узнавания.
У растительных клеток поверх наружной клеточной мембраны располагается плотный целлюлозный слой с порами, через которые осуществляется связь между соседними клетками посредством цитоплазматических мостиков.
У клеток грибов поверх плазмалеммы – плотный слой хитина.
У бактерий – муреина.

В 1935 году английские ученые Даниэлли и Даусон высказали идею о «бутербродной» модели биологических мембран, в соответствии с которой основу мембран составляет липидный бислой, покрытый сверху и снизу сплошным слоем белков.
В 1972 году Сингер и Николсон описывают жидкостно-мозаичную модель мембраны, получившую широкое признание. Согласно этой модели белки, не образуют сплошных слоев поверх липидов бислоя, а вкраплены в него в виде мозаики: некоторые белки располагаются группами на поверхности бислоя (периферические белки), другие – пронизывают бислой полностью или частично (интегральные и полуинтегральные трансмембранные белки). Молекулы белков, как и липидов, обладают амфипатрическими свойствами: у них есть гидрофобные участки, взаимодействующие с гидрофобными хвостами липидных молекул внутри бислоя, и гидрофильные участки, обращенные к водной среде и образующие с молекулами воды водородные связи.
Позже появились сведения о том, что часть белков, входящих в состав биологических мембран, образует в липидном бислое жесткий каркас, который сохраняется после вымывания липидов жирорастворяющими веществами. Этот вид модели получил название белково-кристаллической.
Описанные три вида моделей биологических мембран не исключают друг друга. Они могут встречаться в разных мембранах или же в разных участках одной и той же мембраны в зависимости от функциональных особенностей данного участка.

Одним из важнейших структурно-функциональных компонентов клетки являются биологические мембраны, которые покрывают поверхность клеток, входят в состав большинства клеточных органоидов и образуют ядерную оболочку в эукариотических клетках.
Мембраны имеют толщину около 5-10 нм и по химической организации являются липопротеидными структурами. Их основу составляет липидный бислой, состоящий преимущественно из фосфолипидов. Кроме последних, в мембранах могут присутствовать гликолипиды и холестерол. Все они обладают свойством амфипатричности, т.е. у них есть гидрофильный («любящий воду») и гидрофобный («боящийся воды») концы. Первые обращены кнаружи от бислоя в виде двух противоположных рядов полярных «головок», а вторые –внутрь друг к другу и имеют вид разветвленных неполярных «хвостов». Большинство фосфолипидов и гликолипидов в водной среде самопроизвольно образуют бислой и смыкаются свободными концами, что лежит в основе восстановления структуры мембран при повреждении.
Липидный бислой может находиться в состоянии жидкого и твердого кристалла. Молекулы липидов высокоподвижны и способны перемешаться в пределах своего монослоя и очень редко из одного монослоя в другой.
Для липидного бислоя характерна асимметричность: его монослои отличаются друг от друга по составу липидов. Различный липидный состав отличает также разные мембраны одной и той же эукариотической клетки.
Вторым обязательным компонентом биологических мембран являются белки. Если липидный бислой определяет основные структурные особенности мембран, белки обеспечивают большинство мембранных функций. Они выступают в качестве специфических рецепторов, несут ферментативную функцию, а также осуществляют транспорт через мембрану различных веществ. Многие мембранные белки способны вращаться вокруг оси, перпендикуляр­ной плоскости бислоя, или перемещаться в плоскости самой мембраны, однако они не могут перескакивать с одной стороны бислоя на другую. Этот процесс контролируемый и связан различного рода взаимодействиями между белками мембраны и различными элементами цитоплазмы.