Het celmembraan is een dubbellaag van fosfolipiden, een dubbele laag van fosfolipiden, dit zijn amfipatische moleculen, wat betekent dat ze zowel hydrofiele (wateraantrekkende) als hydrofobe (waterafstotende) gebieden hebben. De hydrofobe staarten van de fosfolipiden wijzen naar binnen, weg van het water, terwijl de hydrofiele koppen naar buiten wijzen, naar het water. Deze opstelling creëert een barrière die voorkomt dat in water oplosbare moleculen door het membraan gaan, terwijl lipide-oplosbare moleculen er wel doorheen kunnen.

Naast fosfolipiden bevat het celmembraan ook eiwitten, dit zijn grote, complexe moleculen die verschillende functies vervullen. Sommige eiwitten fungeren als kanalen of poriën, waardoor specifieke moleculen door het membraan kunnen gaan. Andere eiwitten fungeren als pompen en bewegen moleculen tegen een concentratiegradiënt door het membraan. Nog andere eiwitten fungeren als receptoren, binden zich aan specifieke moleculen en veroorzaken een cellulaire reactie.

Het celmembraan is essentieel voor het leven van de cel. Het beschermt de cel tegen zijn omgeving, waardoor deze een stabiel intern milieu kan behouden. Het zorgt er ook voor dat de cel met andere cellen kan communiceren en op zijn omgeving kan reageren.