La membrana è costituita principalmente da un doppio strato di fosfolipidi (bilayer). Ciascun fosfolipide presenta una testa idrofila (gruppo fosfato) e due code idrofobe (catene di acidi grassi). Nella struttura della membrana le teste sono rivolte verso l'esterno del bilayer, mentre le code sono rivolte all'interno. 

Oltre ai fosfolipidi nella membrana sono presenti anche colesterolo e diverse proteine.

Le proteine di membrana, oltre ad avere un ruolo strutturale, svolgono diverse funzioni. Possono agire infatti come:

Le proteine di membrana si distinguono tra integrali, se attraversano completamente il doppio strato, e periferiche se lo penetrano solo parzialmente o vi sono poggiate sopra. 

I mitocondri sono gli organuli addetti alla respirazione cellulare, sostituiti da introflessioni della membrana cellulare contenenti enzimi respiratori nei procarioti. Come respirazione cellulare si intende la produzione di energia come molecole ATP tramite l'ossidazione di cataboliti.

Altra funzione dei mitocondri è quella di fungere da serbatoio per gli ioni Ca++, che devono essere contenuti nella cellula in minime ma costanti quantità con grandi scorte. Possiedono due membrane cellulari, la primaria e la secondaria: lo spazio fra queste due membrane è detto spazio intermembrana. La prima membrana è molto porosa, nello spazio intermembrana si trova un fluido acquoso ricco di sali minerali ed altre sostanze. Lo spazio interno alla seconda membrana, più selettiva, all'interno della quale la seconda parete si allunga in lunghe pieghe da entrambe le parti che arrivano circa a metà e che sono dette creste mitocondriali. In queste creste si depositano gli enzimi respirato