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。

　　最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最低，因而最為穩定，可以自動形成和維持。