A membrana plasmática é quimicamente constituída por lipídios (glicolipídeos, colesterol e os fosfolipídeos) e proteínas. Por isso, é reconhecida por sua composição lipoproteica.

Os fosfolipídios estão dispostos em uma camada dupla, a bicamada lipídica. Eles estão conectadas às gorduras e proteínas que compõem as membranas celulares.

Os fosfolipídios apresentam uma porção polar e outra apolar. A porção polar é hidrofílica e volta-se para o exterior. A porção apolar é hidrofóbica e voltada para o interior da membrana.

Os fosfolipídios movem-se, porém, sem perder o contato. Isso permite a flexibilidade e elasticidade da membrana.

As proteínas são representadas por enzimas, glicoproteínas, proteínas transportadoras e antígenos. As proteínas podem ser transmembranas ou periféricas.