構成膜的脂類有磷脂、膽固醇和糖脂，其中以磷脂為最多。這三種脂類都是雙親媒性分子，即它們都是由一個親水的極性頭部和一個疏水的非極性尾部組成。由于膜脂的這一結構特點，它們在水溶液中能自動聚攏形成脂雙分子層，其游離端往往有自動閉合的趨勢，形成一種自我封閉而穩定的中空結構，稱脂質體。
磷脂 真核細胞膜中的磷脂主要有卵磷脂（磷脂酰膽堿）、腦磷脂（磷脂酰乙醇胺）、磷脂酰絲氨酸、鞘磷脂合磷脂酰肌醇。
膽固醇 是細胞膜內的中性脂類。真核細胞膜中膽固醇含量較高，有的膜內膽固醇與磷脂之比可達1∶1。膽固醇也是雙親媒性分子，包括三部分：極性的羥基團頭部、非極性的固醇環和非極性的脂肪酸鏈尾部。在膜中，膽固醇分子散布在磷脂分子之間，其極性的羥基頭部緊靠磷脂的極性頭部，將固醇環固定在近磷脂頭部的碳氫鏈上，其余部分分離。這種排列方式對膜的穩定性十分重要。
糖脂 是含一個或幾個糖基的脂類，也是雙親媒性分子，存在于所有的動物細胞膜中，約占膜外層脂類分子的50%。動物細胞膜中的糖脂主要是鞘氨醇的衍生物，結構與鞘磷脂相似，只是其頭部以糖基替代了磷脂酰堿基。腦苷脂是最簡單的糖脂，只含一個糖基（半乳糖或葡萄糖）。在所有細胞中，糖脂均位于膜的非胞質面單層，并將糖基暴露在細胞表面，其作用可能是作為某些大分子的受體，與細胞識別及信息傳導有關。