Cellmembranet består främst av fosfolipider och sfingolipider, som båda är negativt laddade. De bidrar till det semipermeabla membranet och har en asymmetrisk fördelning: fosfatidylcholin och sphingomyelin återfinns främst på utsidan av membranet, medan fosfatidylserin och fosfatidylethanolamin finns på insidan. Membranet innehåller både mättade och omättade lipider, vilket påverkar dess fluiditet. Kolesterol finns insprängt mellan fosfolipiderna och stabiliserar membranet genom att reglera dess flexibilitet och täthet.
Det finns två huvudtyper av membranproteiner: transmembrana och perifera. Transmembranproteiner går rakt igenom det dubbla fosfolipidlagret och är starkt bundna till membranet, ofta med både hydrofoba och hydrofila delar. Perifera proteiner är svagt bundna till ytan av membranet, oftast genom interaktion med andra membranproteiner eller lipidhuvuden. Dessa proteiner har ofta funktioner i signaltransduktion, transport och celligenkänning.
Glykokalyx är ett kolhydratrikt lager som täcker utsidan av cellmembranet. Det består av glykoproteiner och glykolipider. Detta lager spelar en viktig roll i vattenreglering samt i igenkänning och interaktion med andra celler. Den antigeniska funktionen hos glykokalyx är viktig för immunförsvaret, där exempelvis MHC klass I-molekyler gör det möjligt för immunceller att särskilja mellan värdceller och främmande celler. Glykokalyxen är också grunden för blodgruppsantigen, vilket gör den central i transfusionsmedicin.
Cellmembranets fluiditet beskriver hur rörliga lipiderna och proteinerna i membranet är, vilket påverkar membranets funktion, formbarhet och permeabilitet. Fluiditeten är avgörande för bland annat transport, signalering och endocytos.
Fluiditeten är temperaturberoende. Vid högre temperaturer ökar membranets rörlighet, medan den minskar vid lägre temperaturer. För att motverka stelhet i kyla och för hög rörlighet i värme anpassas lipidkompositionen.
Mättade fettsyror, som saknar dubbelbindningar, packas tätt och minskar fluiditeten. Omättade fettsyror innehåller en eller flera dubbelbindningar, vilket skapar "knyckar" i kedjan och hindrar tät packning, vilket ökar fluiditeten.
Kolesterol fungerar som en stabiliserande komponent i membranet. Vid höga temperaturer minskar kolesterol fluiditeten genom att begränsa lipidernas rörlighet. Vid låga temperaturer hindrar kolesterol lipider från att packas för tätt, vilket motverkar stelhet.
Cellmembranet är selektivt permeabelt, vilket innebär att vissa ämnen kan passera fritt medan andra kräver hjälp. Små, opolära och fettlösliga molekyler som steroider, syre och koldioxid kan diffundera direkt genom membranet utan hjälp av proteiner.
Inom själva membranet kan fosfolipider och vissa proteiner röra sig i sidled, vilket kallas lateral diffusion. Denna rörlighet bidrar till membranets dynamik. Ibland byter lipider sida mellan membranets lager, en process som kallas "flip-flop" eller transvers diffusion. Detta kräver ofta hjälp av specialiserade enzymer som flippaser och floppaser.
Större eller polära ämnen kräver transportproteiner för att ta sig genom membranet. Dessa finns i två huvudtyper: bärarproteiner, som förändrar form för att flytta ämnen, och kanalproteiner, som skapar porer ämnen kan passera genom.
Transportprocesser kan aktiveras av signalmolekyler via receptorer i membranet. Detta kan leda till att andra ordningens budbärare, som cAMP eller kalciumjoner, aktiveras inne i cellen och påverkar intracellulära processer.
För att celler ska kunna kommunicera och samverka sitter de ofta ihop via olika typer av cellförbindelser. Exempel är tight junctions som tätar mellanrum mellan celler, desmosomer som förankrar celler mekaniskt, och gap junctions som tillåter jonflöde mellan celler.