Mens membranlipiderne udgør den grundlæggende struktur af lipiddobbeltlaget, er membranens aktive funktioner afhængige af proteinerne. Celleadhæsion, energioverførsel, signalering, cellegenkendelse og transport er blot nogle af de vigtige biologiske processer, der udføres af membranproteiner.
Der er tre måder, hvorpå proteiner kan knytte sig til plasmamembranen: intrinsiske/integrale membranproteiner, der er indlejret i det hydrofobiske område af lipiddobbeltlaget, transmembranproteiner, der spænder over membranen, og som kan krydse membranen én gang (single-pass) eller flere gange (multi-pass), og extrinsiske eller perifere membranproteiner, der associerer sig svagt med de hydrofile overflader i lipiddobbeltlaget eller intrinsiske membranproteiner
Proteiner kan associere sig med membranen på en af tre måder. Intrinsiske eller integrale membranproteiner indlejrer sig i det hydrofobiske område af lipiddobbeltlaget. Eksperimentelt kan disse proteiner kun isoleres ved fysisk at bryde membranen med et detergent eller et andet ikke-polært opløsningsmiddel. Mono Save topic-proteiner indlejrer sig i et blad, men spænder ikke over membranen. Transmembranproteiner er de klassiske eksempler på intrinsiske membranproteiner. Disse spænder over membranen, typisk i en α-helix-konformation, og kan spænde over membranen flere gange. Nogle intergrale membranproteiner bruger β-helixer til at krydse membranen. Disse strukturer er typisk store og danner vandfyldte kanaler. Ekstrinsiske eller perifere membranproteiner associerer sig løst med de hydrofiliske overflader af lipiddobbeltlaget eller intrinsiske membranproteiner. De danner svage hydrofobiske, elektrostatiske eller ikke-kovalente bindinger, men de indlejrer sig ikke med membranens hydrofobiske kerne. Disse proteiner kan adskilles fra membranen uden at forstyrre den ved hjælp af polære reagenser eller opløsninger med høj pH-værdi. Ekstrinsiske membranproteiner kan interagere med den indre eller ydre membranfolie.