Η κύρια λειτουργία της κυτταρικής μεμβράνης είναι να εγκλωβίσει το περιεχόμενο του κυττάρου. Περιέχει όλες τις δομές ενός κυττάρου μέσα του. Οι δευτερεύουσες λειτουργίες του περιλαμβάνουν τη ρύθμιση των μορίων και των ουσιών που μπορούν να εισέλθουν και να εξέλθουν από το κύτταρο και την ισορροπία του νερού. Οι βασικές λειτουργίες του είναι παρόμοιες με αυτές του μεσαιωνικού τείχους της πόλης που περιβάλλει μια πόλη.
Τα προκαρυωτικά και τα ευκαρυωτικά κύτταρα έχουν μικρές διαφορές στις δομές της μεμβράνης τους, αλλά η λειτουργία της κυτταρικής μεμβράνης δεν αλλάζει. Η βασική δομή της μεμβράνης, ή πλάσμα, αποτελείται από πρωτεΐνες και λιπίδια. Η μεμβράνη είναι ουσιαστικά δύο στρώματα φωσφολιπιδίων τοποθετημένα πίσω προς τα πίσω έτσι ώστε οι ουρές τους να πλέκονται μεταξύ τους. Οι εσωτερικές και εξωτερικές επιφάνειες της μεμβράνης αποτελούνται κυρίως από κεφαλές φωσφολιπιδίων. Οι επιφάνειες στικτίζονται κατά καιρούς από κανάλια σχηματισμού πρωτεΐνης ή πρωτεΐνες διαμεμβρανικής και περιφερικές πρωτεΐνες.
Η πρώτη λειτουργία της κυτταρικής μεμβράνης είναι να περιέχει το κυτταρόπλασμα. Αυτό περιλαμβάνει το υγρό κυτοσόλιο, το νουκλεϊκό υλικό όπως το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA) και οποιαδήποτε οργανίδια όπως τα μιτοχόνδρια. Αγκυρώνει επίσης το κύτταρο στο κυτταρικό τοίχωμα και στους περιβάλλοντες ιστούς για να δώσει το κυτταρικό σχήμα.
Υπάρχουν πέντε τρόποι με τους οποίους μόρια και ουσίες μπορούν να εισέλθουν ή να φύγουν από το κύτταρο καθώς εκτελεί την κεντρική λειτουργία της κυτταρικής μεμβράνης. Τρία από αυτά τα μέσα είναι παθητικά και δύο είναι ενεργά. Τα παθητικά μέσα μεταφοράς είναι η διάχυση λιπιδίων, η όσμωση και η παθητική μεταφορά. Τα δύο ενεργά μέσα είναι η ενεργός μεταφορά και τα κυστίδια.
Η διάχυση λιπιδίων συμβαίνει όταν ένας συγκεκριμένος τύπος λιπιδίου συναντά την κυτταρική μεμβράνη. Τα λιποδιαλυτά μόρια όπως τα στεροειδή είναι σε θέση να διαχέονται μέσω της μεμβράνης. Σε αυτές τις περιπτώσεις, είναι σαν να μην υπάρχει η μεμβράνη.
Η λειτουργία της κυτταρικής μεμβράνης σχεδόν δεν υπάρχει επίσης κατά τη διάρκεια της όσμωσης. Η όσμωση είναι η κίνηση του νερού μέσα και έξω από ένα κύτταρο. Αυτή η κίνηση του νερού συμβαίνει φυσικά να προσπαθεί να εξισορροπήσει τη συγκέντρωση του διαλύματος του νερού. Εάν υπάρχουν πάρα πολλές διαλυμένες ουσίες όπως πρωτεΐνες σε ένα διάλυμα, το νερό από μια λιγότερο συμπυκνωμένη περιοχή θα μετακινηθεί φυσικά στο πυκνά συμπυκνωμένο διάλυμα.
Η παθητική μεταφορά και η ενεργός μεταφορά βασίζονται σε πρωτεΐνες στη λιπιδική μεμβράνη. Κατά τη διάρκεια της παθητικής μεταφοράς, ορισμένα μόρια μπορούν να διαχυθούν μέσω των πρωτεϊνών διαμεμβράνης χωρίς ενεργοποίηση ή πρόσκληση. Όταν το κύτταρο απαιτεί ορισμένα μόρια να εισαχθούν στο κύτταρο, τότε η ενεργή μεταφορά χρησιμοποιεί μόριο και ένζυμο αντλίας πρωτεΐνης.
Ένα κυστίδιο είναι ένας άλλος τρόπος εισαγωγής συγκεκριμένων μορίων στο κύτταρο, χωρίς όμως να χρησιμοποιείται πρωτεΐνη για να το κάνει. Το μόριο προσκολλάται στην κυτταρική μεμβράνη και στη συνέχεια η μεμβράνη περικλείεται γύρω από το μόριο. Αυτό το κλειστό μόριο ονομάζεται κυστίδιο. Το κυστίδιο αποκολλάται από τη μεμβράνη έτσι ώστε να βρίσκεται μέσα στο κύτταρο, όπου χωνεύει το μόριο και απελευθερώνει τα συστατικά του στο κυτταρόπλασμα.