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肺组织由胸膜覆盖。胸膜是由膜性结构封闭而成的囊腔。脏（肺）胸膜紧贴肺表面，并沿着叶间裂走行，最终包裹了每片肺叶。脏胸膜延续到肺门，成了壁胸膜，覆盖纵隔器官，大部分膈肌和相应一侧的胸壁。胸膜腔指的是脏壁胸膜之间的潜在空间，中间包含一层液体薄膜，可以使两层胸膜在呼吸的整个阶段紧密滑动。这种液体薄膜的每日交换量很高：产生的液体量为0.01~0.02mL/（kg·h），并不断吸收以保持胸膜腔内液体水平为每千克0.1~0.2mL/h。血浆和胸膜（静水压与血浆渗透压）之间的压力及胸腔淋巴引流之间的平衡有助于液体的流动和吸收。当在正常情况下吸收液体的机制不稳定时，就会产生胸腔积液。胸腔内产生的负压是胸壁相对向外拉动和肺向内弹性回缩的结果。这些结构的弹性产生的任何变化或液体、气体的积聚都会改变局部或整个胸腔的呼吸运动。通气区域间的差异通常是由胸腔扩张和位置相关的胸膜腔压力梯度的局部差异导致的，并反映为气体交换中的区域不平衡。左右胸膜腔构成各自独立，仅在胸骨上半部的后面相连。它们在胸腔中部、食管的后方彼此靠近，并将纵隔空间封闭。心脏不对称性使得左胸膜腔较小，但它可以在腋中线处向下延伸以适应左半膈肌的位置。优先选择较早地积聚在较大的右侧胸膜腔内的渗出物。并且，胸膜在其返折部位的折叠部分（胸骨后、叶间裂和奇静脉-食管凹处）是在放射影像上可观察到的唯一的正常胸膜。在任何其他区域表现出明显的胸膜阴影，通常意味着病理性胸膜异常。在手术或胸腔镜下直接探查胸膜腔时，壁层和脏层胸膜均显示为半透明。壁层胸膜后方可见下面的胸肌和血管，脏层胸膜下方可见肺和胸膜下灰色的血管网。
虽然壁层胸膜为连续结构，但通常它的名称在不同区域内也不同。因此，线性排列在胸壁和椎体表面的胸膜被称为肋胸膜，位于膈肌表面的为膈胸膜，颈部覆盖肺尖的胸膜为颈胸膜（胸膜顶），而肺之间的结构表面的胸膜为纵隔胸膜。
肋胸膜分布在胸骨、肋骨、胸横肌、肋间肌和椎体的侧面；通常容易与这些结构分开。胸膜外是薄而疏松的结缔组织层，即胸内筋膜，类似于腹壁的腹横筋膜。在前方，肋胸膜起于胸骨后，与纵隔胸膜延续，从胸锁关节后方向胸骨角后方中线中下方延伸，在这里，左右肋胸膜下行彼此接触达到第4肋软骨的水平后，向两侧分开延伸。在右侧，肋胸膜下行到剑胸关节的后方区域；而在左侧，肋胸膜向侧方下行，从胸骨边缘到第6肋软骨，延伸距离约2~2.5mm，形成心脏切迹。在每一侧，肋胸膜从侧面扫过，衬在肋软骨、肋骨、胸横肌和肋间肌的内表面。它越过交感干及其分支，到达椎体的侧面，再次与纵隔胸膜相延续。第1肋骨上，肋胸膜与颈胸膜相延续，下方与隔胸膜相延续。延续方向与两侧略有差异。在右边，这条肋膈胸膜的延续线从剑突后方开始，穿过第7肋软骨后方，到达第8肋骨锁骨中线处和第10肋腋中线处，然后略微上升以越过第12肋骨水平及第12胸椎的上边界。在左边，胸膜最初随第6肋软骨上升，但随后遵循与右边类似的却略有不同的方向走行。
膈胸膜是薄而紧密黏附的胸膜，覆盖大部分膈胸膜的上表面。与肋胸膜及纵隔延续，沿心包到膈肌的连线走行。
颈胸膜是肋胸膜的延续，并覆盖肺尖。它从第1肋骨的内缘向内上升到肺顶部，与颈部第1肋骨颈部的下边缘同一水平。然后，在气管外侧成下行，成为纵隔胸膜。由于第1肋骨倾斜，颈胸膜延伸到第1肋软骨上方3~4cm，但不超过第1肋骨，筋膜样的胸膜上膜加强了颈胸膜。胸膜上膜前方附着在第1肋骨的内边，后方附着在第7颈椎的横突。它包含从斜角肌发出的一些肌纤维。小斜角肌从第7颈椎横突的前缘到锁骨下凹后面的第1肋骨的内边，也分布至胸膜顶，而胸膜上膜一直被认为是中斜角肌的肌腱。颈胸膜和肺尖部一直延伸至在第7颈椎距中线约2.5cm处，其体表投影是从锁骨上的一条曲线，从胸锁关节到锁骨中内1/3处，其顶部比锁骨高2.5cm。锁骨下动脉在颈胸膜后的沟中横向上升。
胸膜顶与臂丛、星状神经节和椎管的锁骨上部分有关。
纵隔胸膜是纵隔的外侧边界，从胸骨至椎体连续覆盖在肺门上。在右边，它覆盖了右头臂静脉、上腔静脉上部、奇静脉末端、右侧膈神经和迷走神经、气管与食管。在左侧，它覆盖了主动脉弓、左侧膈神经和迷走神经、左头臂干和肋间上静脉、左颈总动脉、锁骨下动脉、胸导管与食管。在肺门，它向侧方旋转形成一个包围肺门的管样结构，并与脏层胸膜连续。
脏层胸膜也称肺胸膜，它与肺组织密不可分，叶间裂也包被着胸膜，但在肺门处以及沿其下降的下肺韧带除外。
纵隔胸膜在下肺韧带和肺门下方延伸为双层胸膜，从食管的侧面到肺的纵隔面延续为脏胸膜。其上方与围绕肺门结构的胸膜连续，下方终止形成一个游离的镰刀形状。
胸膜延伸明显超出肺下界，但并未延伸至膈肌，因此，从胸壁到膈肌的胸膜返折线下方，膈肌与肋软骨及肋间肌接触。在平静的吸气中，肺下缘不会到达此返折线，肋胸膜和膈胸膜仅通过一条狭窄的缝隙分离，这条缝隙称为肋膈隐窝。肺的最低点通常比胸膜最低点高5cm。一个类似的肋纵隔隐窝存在于胸骨和肋软骨后方，肺的前缘也达不到这一胸膜返折线。而这个隐窝的大小、前肋纵隔胸膜的返折线，以及肺前缘的位置均存在个体差异。胸膜隐窝允许肺成比例地吸气扩张，以最小的摩擦力吸气补充体积。肋膈隐窝的下边界在肾脏的后路手术中十分重要。通常，胸膜在竖脊肌外侧边界穿过的第12肋，肾脏的内侧区域位于胸膜返折的上方。在触诊时第11肋可能误诊为第12肋（有时后者不会超出肌肉），切口会延长到这个水平将打开胸膜。可触摸到的最低肋骨是第11肋还是第12肋，可以通过第2肋骨（通过与胸骨角交界确认）或通过超声检查。
壁层胸膜和脏层胸膜由中胚层外侧板相应的胚体壁膜和胚脏壁膜发展而成。因此，壁层胸膜由躯体动脉供血。肋胸膜由肋间动脉的分支及胸廓内动脉供血；纵隔胸膜由支气管动脉、膈上动脉、胸廓内和纵隔动脉的分支供血。颈胸膜由锁骨下动脉的分支供血。膈胸膜由膈肌微循环的浅表部分供血。静脉汇入胸壁静脉，最终回流入上腔静脉。肋胸膜的淋巴结前方引流至胸内淋巴链，后方引流至肋间淋巴，而来自隔胸膜的淋巴则引流至纵隔、胸骨后和腹腔淋巴结。脏层胸膜是肺的组成部分，相应地，它的动脉供应和静脉回流由支气管血管提供。肺门处的支气管动脉形成一个环，围绕着主支气管；此环的胸膜分支供应肺纵隔面的脏胸膜、叶间和肺尖表面与部分膈肌表面。除了肺门周围区域的静脉回流至支气管静脉，脏层胸膜由肺静脉引流。脏层胸膜的淋巴回流至位于叶间的深肺丛和支气管周围空间。
肋胸膜和膈胸膜通过肋间神经支配。纵隔胸膜和膈胸膜由膈神经支配。
肋胸膜被激惹后会产生疼痛，这种痛可以有准确的胸壁及腹壁的疼痛部位。膈胸膜被激惹后也会导致疼痛，表现为下颈部或肩顶部疼痛。内脏传入信息，沿着具有自主神经纤维的支气管血管传导。
胸壁和壁层胸膜或脏层胸膜的任何破坏会导致胸膜腔内的积气（气胸）、积液（胸腔积液）、积血（血胸）、较少见的淋巴液积聚（乳糜胸）。气胸可以自发产生（气肿性大疱或胸膜下的“小泡”破裂，通常在瘦长体型的男性中发生）或肋骨骨折及穿透性创伤后发生。
胸片上可见胸膜腔内有大量空气，因为这种情况会导致不同程度的肺萎陷；脏壁胸膜分离并且在相应区域的周围肺血管标记消失。有时会发生瓣膜样作用，吸气时空气进入胸膜腔，呼气时无法排出气体。这可能导致“张力性气胸”，危及生命，当单侧呼吸音减小，叩诊为鼓音（由于肺萎陷）、低血压、颈静脉扩张和气管向对侧偏移（由于纵隔移位）时应当特别怀疑有张力性气胸产生。张力性气胸需要立即减压并进行肋间引流排气，在紧急情况下，可以在第2肋间锁骨中线处以粗针穿入排气。
湿润、光滑的胸膜表面包含有单层扁平间皮（浆膜）细胞，其下方为疏松结缔组织组成的固有层，两者被基底层细胞分隔开。超微结构里，胸膜和腹膜间皮细胞类似，均具有高度折叠的基底质膜，它们相邻的细胞表面相互交叉并由桥粒连接，并且它们的表面带有许多微绒毛和一些纤毛。细胞质吞饮小泡是常见的。结缔组织覆盖整个肺表面。它从肺门沿着气管和血管在肺实质中延伸，并将肺部分为许多小的多面体小叶，每个小叶都有末端的细支气管以及小动脉、小静脉、淋巴管和神经。小叶大小不等。小叶的表面区域最大，可见5~15mm的多边形区域。