Néhány kivételtől eltekintve a sejtmembránok – beleértve a plazmamembránokat és a belső membránokat – glicerofoszfolipidekből, azaz glicerinből, egy foszfátcsoportból és két zsírsavláncból álló molekulákból állnak. A glicerin egy három szénatomos molekula, amely e membránlipidek gerinceként funkcionál. Az egyes glicerofoszfolipideken belül a zsírsavak az első és a második szénatomhoz, a foszfátcsoport pedig a glicerin gerincének harmadik szénatomjához kapcsolódik. A foszfáthoz változó fejcsoportok kapcsolódnak. E molekulák térkitöltő modelljei hengeres alakjukat mutatják, amely geometria lehetővé teszi, hogy a glicerofoszfolipidek egymás mellé rendeződve széles lapokat alkossanak (1. ábra).
A glicerin-foszfolipidek messze a leggyakoribb lipidek a sejtmembránokban. Mint minden lipid, vízben oldhatatlanok, de egyedülálló geometriájuk miatt energiabefektetés nélkül képesek kétrétegűvé aggregálódni. Ennek oka, hogy kétoldali molekulák, hidrofil (vízkedvelő) foszfátfejekkel és hidrofób (víztaszító) zsírsavakból álló szénhidrogénfarokkal. Vízben ezek a molekulák spontán igazodnak egymáshoz – a fejük kifelé, a farkuk pedig a kettősréteg belsejében helyezkedik el. Így a sejt plazmamembránjában a glicerin-foszfolipidek hidrofil fejei a vízalapú citoplazma és a sejt külseje felé is néznek.
A lipidek együttesen a sejtmembránok tömegének mintegy felét teszik ki. A koleszterinmolekulák, bár kisebb mennyiségben fordulnak elő, mint a glicerofoszfolipidek, az állati sejtek plazmamembránjában található lipidek mintegy 20 százalékát teszik ki. A koleszterin azonban nincs jelen a bakteriális membránokban és a mitokondriumok membránjaiban. Emellett a koleszterin segít szabályozni a membránok merevségét, míg más, kevésbé feltűnő lipidek a sejtek jelátvitelében és a sejtek felismerésében játszanak szerepet.
In addition to lipids, membranes are loaded with proteins. In fact, proteins account for roughly half the mass of most cellular membranes. E fehérjék közül sokan beágyazódnak a membránba, és mindkét oldalon kilógnak; ezeket nevezzük transzmembrán fehérjéknek. Ezeknek a fehérjéknek a szénhidrogén-farkak közé beágyazott részei hidrofób felületi tulajdonságokkal rendelkeznek, a kiálló részek pedig hidrofilek (2. ábra).
Fiziológiás hőmérsékleten a sejtmembránok folyékonyak; hűvösebb hőmérsékleten gélszerűvé válnak. A membránszerkezetet és -dinamikát modellező tudósok a membránt olyan folyékony mozaikként írják le, amelyben a transzmembránfehérjék oldalirányban mozoghatnak a lipiddupla rétegben. A sejtmembránt alkotó lipidek és fehérjék gyűjteménye tehát természetes biofizikai tulajdonságokra támaszkodik, hogy kialakuljon és működjön. Az élő sejtekben azonban sok fehérje nem mozog szabadon. Gyakran a sejten kívüli fehérjékhez, a sejten belüli citoszkeletális elemekhez vagy mindkettőhöz kötődve rögzülnek a membránon belül.