Op enkele uitzonderingen na zijn cellulaire membranen – inclusief plasmamembranen en interne membranen – gemaakt van glycerofosfolipiden, moleculen die zijn opgebouwd uit glycerol, een fosfaatgroep, en twee vetzuurketens. Glycerol is een driekoolstofmolecuul dat fungeert als de ruggengraat van deze membraanlipiden. Binnen een individuele glycerofosfolipide zijn de vetzuren gebonden aan de eerste en tweede koolstof en is de fosfaatgroep gebonden aan de derde koolstof van de glycerolruggengraat. Aan het fosfaat zijn variabele kopgroepen gehecht. Ruimtevullende modellen van deze moleculen onthullen hun cilindrische vorm, een geometrie die glycerofosfolipiden in staat stelt naast elkaar te liggen en brede vellen te vormen (figuur 1).
Glycerofosfolipiden zijn verreweg de meest voorkomende lipiden in celmembranen. Zoals alle lipiden zijn ze onoplosbaar in water, maar hun unieke geometrie zorgt ervoor dat ze zich zonder energie-inbreng tot bilayers kunnen samenvoegen. Dit komt doordat het tweezijdige moleculen zijn, met hydrofiele (waterminnende) fosfaatkoppen en hydrofobe (watervijandige) koolwaterstofstaarten van vetzuren. In water gaan deze moleculen spontaan op één lijn staan – met de koppen naar buiten gericht en de staarten in het binnenste van de bilaag. De hydrofiele koppen van de glycerofosfolipiden in het plasmamembraan van een cel zijn dus zowel naar het op water gebaseerde cytoplasma als naar de buitenkant van de cel gericht.
De lipiden vormen samen ongeveer de helft van de massa van celmembranen. Cholesterolmoleculen, hoewel minder talrijk dan glycerofosfolipiden, maken ongeveer 20 procent uit van de lipiden in de plasmamembranen van dierlijke cellen. Cholesterol is echter niet aanwezig in bacteriële membranen of mitochondriale membranen. Ook helpt cholesterol bij het regelen van de stijfheid van membranen, terwijl andere, minder prominente lipiden een rol spelen bij celsignalering en celherkenning.
In addition to lipids, membranes are loaded with proteins. In fact, proteins account for roughly half the mass of most cellular membranes. Veel van deze eiwitten zijn ingebed in het membraan en steken er aan beide zijden uit; dit worden transmembraaneiwitten genoemd. De delen van deze eiwitten die zijn ingebed tussen de koolwaterstofstaarten hebben hydrofobe oppervlakte-eigenschappen, en de delen die uitsteken zijn hydrofiel (figuur 2).
Bij fysiologische temperaturen zijn celmembranen vloeibaar; bij koelere temperaturen worden ze gelachtig. Wetenschappers die de membraanstructuur en -dynamica modelleren, beschrijven het membraan als een vloeibaar mozaïek waarin transmembraaneiwitten lateraal in de lipidenbilaag kunnen bewegen. De verzameling lipiden en eiwitten waaruit een celmembraan is opgebouwd, is voor zijn vorm en werking dus afhankelijk van natuurlijke biofysische eigenschappen. In levende cellen zijn veel eiwitten echter niet vrij om te bewegen. Vaak zijn zij binnen het membraan op hun plaats verankerd door bindingen met eiwitten buiten de cel, cytoskeletelementen binnen de cel, of beide.