A biológiai membránok alapvázát lipidek, köztük is elsősorban foszfatidok alkotják. A foszfatidok kettős oldódású vegyületek, azaz poláris és apoláris oldószerekkel is elegyednek. Vizes közegben megfelelő feltételek mellett kettős rétegbe rendeződnek, és határfelületet alakítanak ki a folyadék belsejében. A biológiai membránok alapvázát is ilyen lipid kettős réteg alkotja.

A membrán foszfolipid rétegébe szteránvázas koleszterinmolekulák is beépülnek, amelyek "szilárdabbá, merevebbé" teszik a membránt. A membránok lipid kettős rétegének belső, apoláris része az adott sejt élettani hőmérsékleten (emlősökben pl. 38 °C-on) folyékony halmazállapotú. A vizes fázis felé néző poláris rétegek rendezettebb szerkezetet mutatnak.

A membránokban a lipidekből álló alapvázhoz fehérjék kapcsolódnak. A membránfehérjék kisebbik hányada csak gyengén kötődik a membrán felszínéhez, nagyobbik részük beépül a lipidrétegbe. A membránfehérjék szerepe sokrétű, többek között biokémiai folyamatokat katalizálnak vagy bizonyos anyagok átjutását szabályozzák a membránon. A lipid kettős réteg lehetővé teszi, hogy a fehérjék enzimrendszerekbe rendeződjenek. Ez azt jelenti, hogy a több lépésbőlállló anyagcsere-folyamatokat katalizáló enzimek az átalakulás sorrendjének megfelelően, egymás mellett helyezkednek el a membránban, ami jelentősen megnöveli az átalakulás sebességét.

Az eukarióta sejtekben a legtöbb sejtalkotót membrán veszi körül, így a sejtalkotók belső terei elkülönülnek a sejt alapállományától. A sejt belsejének tagolódása lehetővé teszi az egyes biokémiai folyamatok térbeli és időbeli elkülönülését, ami növeli az anyagcsere-folyamatok rendezettségét és hatásfokát.

A prokarióta sejtekben gyakrolatilag a sejthártya az egyetlen membrán, így ezekben a sejtműködésnek csak alacsonyabb szintje valósulhat meg. Az eukarióta sejtek a prokariótákkal szembeni evolúciós előnye nagyrészt a belső membránrendszerek kialakulásának tulajdonítható.