膜的脂质中以磷脂类为主，约占脂质总量的70%以上;其次是胆固醇，一般低于30%;还有少量属鞘脂类的脂质。磷脂的基本结构是：一分子甘油的两个羟基同两分子脂酸相结合，另一个羟基则与一分子磷酸结合，后者再同一个碱基结合。根据这个碱基的不同，动物细胞膜中的磷脂主要有四种：磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸和磷脂酰肌醇。鞘脂类的基本结构和磷脂类似，但不含甘油。胆固醇结构很特殊，它含有一个甾体结构(环戊烷多氢菲)和一个8碳支链。
最初提示膜中脂质呈双分子层形式存在的，是对红细胞膜所作的化学测定和计算。Gortert和Grendel(1925)提取出红细胞膜中所含的脂质，并测定将这些脂质以单分子层在水溶液表面平铺时所占的面积，结果发现一个红细胞膜中脂质所占的面积，差不多是该细胞表面积的2倍。因此导致以下结论：脂质可能是以双分子层的形式包被在细胞表面的。以后提出的双分子层模型中，每个磷脂分子中由磷酸和碱基构成的基团，都朝向膜的外表面或内表面，而磷脂分子中两条较长的脂酸烃链则在膜的内部两两相对。脂质分子的这种定向而整齐的排列，是由脂质分子本身的理化特性和热力学定律所决定。所有的膜脂质都是一些双嗜性分子，磷脂的一端的磷酸和碱基是亲水性极性基团，另一端的长烃链则属疏水性非极性基团。当脂质分子位于水表面时，由于水分子是极性分子，脂质的亲水性基团将和表面水分子相吸引，疏水性基团则受到排斥，于是脂质会在水表面形成一层亲水性基团朝向水面而疏水性基团朝向空气的整齐排列的单分子层。从热力学业角度分析，这样组成的系统包含的自由能最低，因而最为稳定，可以自动形成和维持。