Z kilkoma wyjątkami, błony komórkowe – w tym błony plazmatyczne i błony wewnętrzne – są wykonane z glicerofosfolipidów, cząsteczek składających się z glicerolu, grupy fosforanowej i dwóch łańcuchów kwasów tłuszczowych. Glicerol jest trójwęglową cząsteczką, która funkcjonuje jako szkielet tych lipidów błonowych. W ramach pojedynczego glicerofosfolipidu, kwasy tłuszczowe są dołączone do pierwszego i drugiego karbonu, a grupa fosforanowa jest dołączona do trzeciego węgla szkieletu glicerolu. Do fosforanu przyłączone są zmienne grupy głowowe. Wypełniające przestrzeń modele tych cząsteczek ujawniają ich cylindryczny kształt, geometrię, która pozwala glicerofosfolipidom ustawiać się obok siebie, tworząc szerokie arkusze (rysunek 1).
Glicerofosfolipidy są zdecydowanie najobficiej występującymi lipidami w błonach komórkowych. Jak wszystkie lipidy, są nierozpuszczalne w wodzie, ale ich unikalna geometria powoduje, że łączą się w bilayery bez żadnego nakładu energii. Dzieje się tak, ponieważ są to cząsteczki o dwóch twarzach, z hydrofilowymi (lubiącymi wodę) fosforanowymi głowami i hydrofobowymi (bojącymi się wody) węglowodorowymi ogonami kwasów tłuszczowych. W wodzie cząsteczki te spontanicznie ustawiają się w jednej linii – główki skierowane są na zewnątrz, a ogonki we wnętrzu dwuwarstwy. W ten sposób hydrofilowe główki glicerofosfolipidów w błonie plazmatycznej komórki zwrócone są zarówno do cytoplazmy zawierającej wodę, jak i na zewnątrz komórki.
W sumie lipidy stanowią około połowy masy błon komórkowych. Cząsteczki cholesterolu, chociaż mniej obfite niż glicerofosfolipidy, stanowią około 20 procent lipidów w błonach plazmatycznych komórek zwierzęcych. Jednak cholesterol nie jest obecny w błonach bakteryjnych i mitochondrialnych. Ponadto, cholesterol pomaga regulować sztywność błon, podczas gdy inne, mniej znaczące lipidy odgrywają rolę w sygnalizacji komórkowej i rozpoznawaniu komórek.
In addition to lipids, membranes are loaded with proteins. In fact, proteins account for roughly half the mass of most cellular membranes. Wiele z tych białek jest wbudowanych w membranę i wystaje po obu jej stronach; są one nazywane białkami transmembranowymi. Części tych białek, które są zagnieżdżone wśród węglowodorowych ogonów mają hydrofobowe właściwości powierzchni, a części, które wystają są hydrofilowe (rysunek 2).
W temperaturach fizjologicznych, błony komórkowe są płynne; w chłodniejszych temperaturach, stają się żelopodobne. Naukowcy, którzy modelują strukturę i dynamikę błony opisują ją jako płynną mozaikę, w której białka transmembranowe mogą poruszać się na boki w dwuwarstwie lipidowej. Dlatego też, zbiór lipidów i białek tworzących błonę komórkową opiera się na naturalnych właściwościach biofizycznych w tworzeniu i funkcjonowaniu. W żywych komórkach, jednakże, wiele białek nie może się swobodnie poruszać. Często są one zakotwiczone w błonie poprzez wiązania z białkami na zewnątrz komórki, elementami cytoszkieletu wewnątrz komórki lub obydwoma tymi elementami.