Lipid dan protein merupakan bahan penyusun utama membran, walaupun karbohidrat juga merupakan bahan penting. Membran utamanya disusun oleh lemak berbentuk lipid bilayer. Selain lemak, komponen penyusun membran adalah protein dan karbohidrat dengan komposisi bergantung kepada jenis spesies. Membran sel merupakan lipid bilayer disebut pula fluid-mosaic model hal ini dikarenakan Molekul protein dan lemak itu tidak statis, melainkan senantiasa bergerak.
Dapat dibayangkan molekul lemak sebagai “benda cair” yang di atasnya dan di dalamnya terdapat molekul protein yang “berenang-renang”. Itulah sebabnya struktur membran yang demikian disebut sebagai “mosaik fluida”. Molekul penyusun utama adalah fosfolipid, yang terdiri dari bagian kepala yang polar (hidrofilik) dan dua ekor nonpolar (hidrofobik). . Di sebelah luarnya terdapat lapisan protein perifer (protein tepi yang menempel di lapisan fosfolipid), yang menyusun tepi luar dan dalam membran. Selain protein perifer, terdapat pula molekul-molekul protein tertentu yang masuk ke dalam lapisan lemak. Bahkan ada yang masuk hingga menembus dua lapisan lemak. Protein yang masuk ke lapisan lemak itu disebut protein integral (protein yang terbenam). Pada tempat-tempat tertentu, terbentuk pori yang dibatasi oleh molekul protein. Tebal membran plasma antara 5-10 nm.
Lemak membran tersusun atas fosfolipid (lemak yang bersenyawa dengan fosfat), glikolipid (lemak yang bersenyawa dengan karbohidrat), dan sterol (lemak yang bersenyawa dengan kolesterol). Sedangkan protein membran tersusun atas glikoprotein (protein yang bersenyawa dengan karbohidrat).


