膜的脂質中以磷脂類為主，約占脂質總量的70% 以上;其次是膽固醇，一般低于30% ;還有少量屬鞘脂類的脂質。磷脂的基本結構是：一分子甘油的兩個羥基同兩分子脂酸相結合，另一個羥基則與一分子磷酸結合，后者再同一個堿基結合。根據這個堿基的不同，動物細胞膜中的磷脂主要有四種：磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰絲氨酸和磷脂酰肌醇。鞘脂類的基本結構和磷脂類似，但不含甘油。膽固醇結構很特殊，它含有一個甾體結構(環戊烷多氫菲)和一個8碳支鏈。

zui初提示膜中脂質呈雙分子層形式存在的，是對紅細胞膜所作的化學測定和計算。Gortert和Grendel(1925)提取出紅細胞膜中所含的脂質，并測定將這些脂質以單分子層在水溶液表面平鋪時所占的面積，結果發現一個紅細胞膜中脂質所占的面積，差不多是該細胞表面積的2倍。因此導致以下結論：脂質可能是以雙分子層的形式包被在細胞表面的。以后提出的雙分子層模型中，每個磷脂分子中由磷酸和堿基構成的基團，都朝向膜的外表面或內表面，而磷脂分子中兩條較長的脂酸烴鏈則在膜的內部兩兩相對。脂質分子的這種定向而整齊的排列，是由脂質分子本身的理化特性和熱力學定律所決定。所有的膜脂質都是一些雙嗜性分子，磷脂的一端的磷酸和堿基是親水性極性基團，另一端的長烴鏈則屬疏水性非極性基團。當脂質分子位于水表面時，由于水分子是極性分子，脂質的親水性基團將和表面水分子相吸引，疏水性基團則受到排斥，于是脂質會在水表面形成一層親水性基團朝向水面而疏水性基團朝向空氣的整齊排列的單分子層。從熱力學業角度分析，這樣組成的系統包含的自由能zui低，因而zui為穩定，可以自動形成和維持。根據同樣的原理，如果讓脂質分子在水溶液中受到激烈擾動時，脂質有可能形成含水的小囊，但這囊只能是由脂質雙分子層形成，外層脂質的極性基團和囊外水分子相吸引，內層脂質的極性基團則和囊內水分子相吸引，而兩層脂質的疏水性烴鏈將兩兩相對，排斥水分子在囊膜中的存在，其結構正和天然生物膜一致。這種人工形成的人工膜囊，稱為脂質小體(liposome)，似人造細胞空殼，有很大的理論研究和實用價值。由此可見，脂質分子在細胞膜中以雙分子層的形式存在，是由脂質分子本身的理化特性所決定的。設想進化過程中zui初有生物學功能的膜在原始的海洋中出現時(也可能包括新的膜性結構在細胞內部的水溶液中的生成)，這些基本的理化原理也在起作用。

脂質的熔點較低，這決定了膜中脂質分子在一般體溫條件下是呈液態的，即膜具有某種程度的流動性。脂質雙分子層在熱力學上的穩定性和它的流動性，能夠說明何以細胞可以承受相當大的張力和外形改變而不致破裂，而且即使膜結構有時發生一些較小的斷裂，也可以自動融合而修復，仍保持連續的雙分子層的形式。觀察一下體內某些吞噬細胞通過毛細血管壁內皮細胞間隙時的變形運動和紅細胞通過纖細的毛細血管管腔時被扭曲而不破裂的情況，當會對細胞膜的可變性和穩定性有深刻的印象。當然，膜的這些特性還同膜中蛋白質和膜內側某些特殊結構(稱為細胞架)的作用有關。應該指出的是，膜的流動性一般只允許脂質分子在同一分子層內作橫向運動;由于分子的雙嗜性，要脂質分子在同一分子層內作“掉頭”運動;或由一側脂質層移到另一側脂質層，這意味著有極性的磷酸和堿基的一端要穿越膜內部的疏水性部分，這是不容易或要耗能的。

不同細胞或同一細胞而所在部位不同的膜結構中，脂質的成分和含量各有不同;雙分子層的內外兩層所含的脂質也不盡相同，例如，靠外側的一層主要含磷脂酰膽堿和含膽堿的鞘脂，而靠胞漿側的一層則有較多的磷脂酰乙醇胺和磷脂酰絲氨酸。膽固醇含量在兩層脂質中無大差別;但它們含量的多少和膜的流動性大小有一定關系，一般是膽固醇含量愈多，流動性愈小。近年來發現，膜結構中含量相當少的磷脂酰肌醇，幾乎全部分布在膜的靠胞漿側;這種脂質與細胞接受外界影響，并把信息傳遞到細胞內的過程有關。