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细胞膜很薄，已超出光镜所能分辨的极限，在光镜下看到的只是细胞与外界环境之间有一个折光性和着色程度不同的界限，因而早期对细胞膜的认识是从研究细胞的功能中推断出的。如把细胞放在低渗液中，细胞会膨胀，证明水进入，溶质没有流出，膜具通透性；又如显微操作针刺细胞表面，感到阻力和弹性，刺破后内容物流出，证明表面有膜结构存在。到20世纪50年代，在电镜下观察到了细胞膜的超微结构。
1895年，欧文顿（E.Overton）提出膜是由脂质组成的。1925年，荷兰科学家戈特（E.Gorter）和格伦德尔（F.Grendel）提出脂质双分子层模型。1935年，丹尼利（J.Danielli）和达夫森（H.Davson）提出“蛋白质-脂质-蛋白质”的片层结构模型（Lamella structure model）。1959年，罗伯特森（J.D.Robertson）提出了单位膜模型（unit membrane model），单位膜的概念沿用至今。1972年，美国加州大学的辛格（S.J.Singer）和尼克森（G.L.Nicolson）提出了流动镶嵌模型（fluid mosaic model），是目前最被广泛接受和认可的关于膜结构的基本观点。在其后出现的强调生物膜的膜脂处于液态流动性和晶态有序性之间动态转变的“晶格镶嵌模型（crystal Mosaic model）”，强调生物膜流动性的“板块镶嵌模型（plate mosaic model）”，及“脂筏模型（lipid rafts model）”等，均被认为是对流动镶嵌模型的补充。
流动镶嵌模型（图4-3）对细胞膜及生物膜结构的认识可归纳如下：
图4-3 细胞膜的结构模型
1.具有极性头部和非极性尾部的类脂分子在水环境中以疏水性非极性尾部相对，极性头部朝向水相，自发形成封闭的类脂双分子层膜系统，膜脂是组成生物膜的基本结构成分。
2.蛋白分子以不同方式镶嵌在脂双层分子中或结合在其表面，蛋白的类型、分布的不对称性及其与脂分子的协同作用，赋予生物膜具有各自的特性与功能，膜蛋白是生物膜功能的主要决定者。
3.生物膜是嵌有蛋白质的脂质双分子层二维流体，具有一定的流动性。大多数蛋白质和脂质分子都能够以横向扩散的形式运动，而膜蛋白与膜脂之间，膜蛋白与膜蛋白之间及其与膜两侧其他生物大分子的相互作用，在不同程度上限制了膜蛋白和膜脂的流动性。
4.在细胞膜的外表，有一层由细胞膜上的蛋白质与糖类结合形成的糖蛋白叫糖被。它在细胞生命活动中具有重要的功能。
流动镶嵌模型认为细胞膜由流动的脂双层和嵌在其中的蛋白质组成，突出了膜的流动性和不对称性。
膜的流动性（fluidity）是膜脂与膜蛋白处于不断地运动状态，包括膜脂的流动性和膜蛋白的运动性。
1.膜脂的流动性 在生理温度下，膜脂分子多呈能流动的具有一定形状和体积的物态，即液晶态；当温度下降到某一点时，脂分子从液晶态转变为凝胶状不流动的物态，即晶态；温度上升时，晶态又溶解为液晶态，这种变化称为相变。能引起相变的温度称为相变温度。膜脂分子在相变温度以上时，有以下几种主要的运动方式（图4-4）：
图4-4 膜脂的分子运动
（1）侧向运动，同一平面上相邻的脂分子沿膜平面不断侧向移动交换位置。
（2）旋转运动，膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行快速旋转。
（3）摆动运动，膜脂分子围绕与膜平面垂直的轴进行左右摆动。
（4）伸缩震荡，脂肪酸链沿着纵轴进行伸缩震荡运动。
（5）翻转运动，膜脂分子在双分子层之间，由一层侧翻至另一层。这种运动极少发生。
（6）旋转异构，脂肪酸链围绕C-C键旋转，导致异构化运动。
膜脂的流动性受着一些因素的影响，主要有：
（1）温度。当环境温度在相变温度以上时，膜脂分子处于流动的液晶态；而在相变温度以下时，则处于不流动的晶态。膜脂相变温度越低，膜脂流动性就越大；反之，相变温度越高，膜脂的流动性也就越小。
（2）膜脂的脂肪酸链饱和程度及长度。饱和程度高的脂肪酸链因紧密有序地排列，流动性小；不饱和脂肪酸链由于不饱和键的存在，分子间排列疏松而无序，流动性大。随着脂肪酸链的增长，链尾相互作用的机会增多，易于凝集，相变温度增高，流动性下降。
（3）胆固醇含量，胆固醇对膜脂流动性的调节作用随温度的不同而改变。在相变温度以上，它能使磷脂的脂肪酸链的运动性减弱，降低膜的流动性；在相变温度以下时，它可通过阻止磷脂脂肪酸链的相互作用，缓解低温所引起的膜脂流动性剧烈下降。
2.膜蛋白的运动性 膜蛋白分子在膜平面中进行移动的过程称膜蛋白扩散。主要有两种运动方式：
（1）旋转运动，即垂直于膜平面绕自身主轴而旋转。
（2）侧向运动，多数膜蛋白能在膜内侧向移动。不同的膜蛋白分子，其侧向扩散的速度有很大差别。
1970年，埃迪登（Edidin）用细胞融合法证明膜蛋白质具有侧向移动的运动特点。实验用发绿色荧光的荧光素标记抗小鼠细胞膜蛋白的抗体，使其与小鼠细胞膜表面的抗原结合。用发红色荧光的罗丹明标记抗人细胞膜蛋白的抗体，使其与人红细胞膜上的抗原结合。当小鼠与人的两种细胞融合后，在荧光显微镜下观察膜表面一半呈绿色光，另一半呈红色光。37℃保温40min后，两种颜色的荧光点在融合的新细胞膜上呈均匀分布。
膜蛋白对膜的流动性有影响。膜嵌入蛋白的量愈多，膜的流动性愈小。膜蛋白的运动还受到细胞内部结构的控制，如红细胞膜内一种周围蛋白，形成了网架把膜蛋白的位置固定，不易扩散。
3.膜流动性的生理意义 膜流动性具有十分重要的生理意义，细胞膜的流动性是保证其正常功能的必要条件。物质跨膜运输、信息跨膜传递、细胞识别、细胞免疫、细胞分化以及激素的作用等，都与膜的流动性密切相关。当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。
有些疾病与膜流动性异常有关，如早产儿出现的呼吸窘迫综合征，是由于肺泡内侧表面活性物质中卵磷脂对鞘磷脂比例过低，影响肺泡内表面膜的流动性，而使CO 2 -O 2 的交换不能正常进行而引起的。遗传性球形红细胞增多症的患者，其红细胞膜的流动性低于正常人。
细胞膜内外两层的组分分布和功能有很大的差异，称为膜的不对称性（asymmetry）。
1.膜蛋白分布的不对称性 膜蛋白的分布是绝对不对称的，膜两侧嵌入蛋白的数量、位置、种类不同，周围蛋白多在膜的内表面，酶蛋白有的只存在于外侧，有的只存在于内侧，即便是贯穿于膜的镶嵌蛋白，两个亲水端的长度和氨基酸种类顺序也不相同。
如血型糖蛋白分子伸向膜内，外侧面的氨基酸残基数目不对称；红细胞膜内侧面分布有血影蛋白而外侧面没有；冰冻蚀刻技术观察胞质面的蛋白质颗粒比细胞外侧面少。
2.膜脂的不对称性 膜脂不对称性表现在两侧分布的各类脂的含量比例不同，两层脂质分子的密度和所带电荷不同，在不同的细胞膜脂不对称性差异很大，不易改变。同时，脂分子在膜上翻转的概率是很小的。
如红细胞膜上含胆碱的磷脂，如磷脂酰胆碱、鞘磷脂主要分布在外层；含氨基酸的磷脂如磷脂酰丝氨酸、磷脂酰乙醇胺主要分布在内层；胆固醇通常集中于细胞膜的外层。
3.膜糖的不对称性 糖类主要分布于细胞膜的外表面，与膜脂或膜蛋白结合成糖脂或糖蛋白。
4.膜流动性的生理意义 细胞膜内外两层组成分布的不对称性，使膜的两侧具有不同的功能，具有重要的生物学意义。
在生命的进化过程中，细胞膜的出现可视为由非细胞的原始生命演化为细胞生物的一个转折点。细胞膜的形成使生命体具有更大的相对独立性，并由此获得一个相对稳定的内环境。细胞膜的生物功能可总结如下：
1.为细胞的生命活动提供相对稳定的内环境的区域化作用。膜是连续完整的薄层，因而它必然会形成封闭的区域。细胞膜包裹整个细胞的所有内含物，使细胞特异性活动的进行很少受到外界的干扰。
2.为多种生化活动提供构架。膜不仅形成封闭的隔室，其本身也是一个独立区域。溶液中存在的反应物相对位置不固定，相互作用取决于随机碰撞。膜的存在为细胞提供了一个广阔的构架，使膜内的组分能够有序进行有效的相互作用。
3.进行选择性的物质运输。细胞膜是一道选择性通透屏障，能阻止分子从一侧到另一侧的自由交换。同时，细胞膜上具有转运物质的装置，能够将物质从膜的一侧运输到另一侧。细胞膜的运输装置致使细胞积累物质，例如糖类和氨基酸这类必需原料，为新陈代谢提供能量并组成自身的大分子物质。细胞膜还能运输特异性的离子，从而形成跨膜的离子梯度，这种能力对于神经和肌肉细胞尤为重要。
4.进行特异性的信号转导。膜具有受体，受体能和结构互补的特异性分子配体结合，在细胞内产生应答，进而促进或抑制细胞内的活性。例如，细胞膜上产生的信号可能告诉细胞生产更多的糖原，为细胞分裂做好准备，释放内部储存的钙离子，或者“自杀”等。
5.介导细胞间、细胞与基质间的相互作用。多细胞生物的细胞膜位于每个活细胞的外围，介导细胞和相邻细胞、细胞外基质间的相互作用。细胞膜能让细胞间相互识别和传递信号，让它们在合适的时候产生黏着，以及交换物质和信息等。
6.能量转换。膜涉及一种形式的能量转换成另一种形式的能量的过程。最基本的能量转换发生在光合作用中，太阳光能被膜所结合的色素吸收，转换成化学能并储存在糖中。膜也参与将糖类和脂肪中的能量转移到ATP中。在真核细胞中，负责能量转换的装置位于叶绿体和线粒体的膜上。