生物膜是一種動態的結構，主要由磷脂分子、蛋白質和少量糖類分子組成。
磷脂分子是生物膜的基本構建單位，由疏水性的脂肪酸尾部和親水性的磷酸頭部組成，使其能在水中自組裝成磷脂雙分子層，即磷脂雙分子膜，形成生物膜的基本骨架。磷脂雙分子層中，磷脂分子排列成兩層，其疏水性脂肪酸尾部朝內，親水性磷酸頭部朝外，為生物膜的通透性和選擇性通道提供了基礎。生物膜中的蛋白質分子鑲嵌在磷脂層中，有的蛋白質「鑲「在脂雙層表面，有的則部分或全部嵌入其內部，有的則橫跨整個膜。膜脂和膜蛋白都能進行橫向擴散，顯示出膜的流動性。
生物膜的結構特點包括流動性、選擇透過性、不對稱性。流動性是指膜內部的脂和蛋白質分子的運動性，選擇透過性使得生物膜允許特定物質通過，而不對稱性則體現在生物膜內側和外側的磷脂成分及蛋白質種類和數量的差異上。這些特性使得生物膜既能進行物質交換，又能維持細胞內外的物質差異。
此外，真核細胞的生物膜還包括核膜、線粒體膜、內質網膜、溶酶體膜、高爾基體膜、葉綠體膜、液泡、過氧化酶體膜等，這些膜系統分隔各種細胞器，並參與多種細胞活動。