Ačkoli membránové lipidy tvoří základní strukturu lipidové dvojvrstvy, aktivní funkce membrány závisí na proteinech. Buněčná adheze, přenos energie, signalizace, rozpoznávání buněk a transport jsou jen některé z důležitých biologických procesů prováděných membránovými proteiny.
Bílkoviny se mohou s plazmatickou membránou spojovat třemi způsoby: vnitřní/integrální membránové proteiny, které jsou usazeny v hydrofobní oblasti lipidové dvojvrstvy, transmembránové proteiny, které se rozpínají napříč membránou a které mohou membránu překonat jednou (jednoprůchodové) nebo vícekrát (víceprůchodové), a vnější neboli periferní membránové proteiny, které se slabě asociují s hydrofilními povrchy lipidové dvojvrstvy nebo vnitřními membránovými proteiny
Proteiny se mohou s membránou asociovat jedním ze tří způsobů. Vnitřní neboli integrální membránové proteiny se usazují v hydrofobní oblasti lipidové dvojvrstvy. Experimentálně lze tyto proteiny izolovat pouze fyzickým narušením membrány detergentem nebo jiným nepolárním rozpouštědlem. Mono Save topic proteiny se vkládají do jednoho listu, ale nepřeklenují membránu. Klasickým příkladem intrinsických membránových proteinů jsou transmembránové proteiny. Ty překlenují membránu obvykle v konformaci α-helixu a mohou membránu překlenout vícekrát. Některé intergrádní membránové proteiny používají k překlenutí membrány β-šroubovice. Tyto struktury jsou obvykle velké a tvoří vodou naplněné kanály. Extrinsické nebo periferní membránové proteiny se volně spojují s hydrofilními povrchy lipidové dvojvrstvy nebo s intrinsickými membránovými proteiny. Vytvářejí slabé hydrofobní, elektrostatické nebo nekovalentní vazby, ale nespojují se s hydrofobním jádrem membrány. Tyto proteiny lze od membrány oddělit bez jejího narušení použitím polárních činidel nebo roztoků s vysokým pH. Extrinsické membránové proteiny mohou interagovat s vnitřním nebo vnějším listem.