Míg a membránlipidek alkotják a lipid kettősréteg alapszerkezetét, a membrán aktív funkciói a fehérjéktől függenek. A sejtadhézió, az energiaátvitel, a jelátvitel, a sejtfelismerés és a transzport csak néhány a fontos biológiai folyamatok közül, amelyeket a membránfehérjék végeznek.
A fehérjék háromféleképpen kapcsolódhatnak a plazmamembránhoz: intrinsic/integrális membránfehérjék, amelyek beágyazódnak a lipid kettősréteg hidrofób régiójába, transzmembránfehérjék, amelyek átnyúlnak a membránon, amelyek egyszer (single-pass) vagy többször (multi-pass) átkelhetnek a membránon, és extrinsic vagy perifériás membránfehérjék, amelyek gyengén társulnak a lipid kettősréteg hidrofil felületeivel vagy az intrinsic membránfehérjékkel
A fehérjék háromféleképpen társulhatnak a membránhoz. Az intrinzikus vagy integrális membránfehérjék beágyazódnak a lipid kettősréteg hidrofób régiójába. Kísérletileg ezeket a fehérjéket csak a membrán detergenssel vagy más nem poláros oldószerrel történő fizikai megbontásával lehet izolálni. A mono Save topic fehérjék beágyazódnak egy levélkébe, de nem feszítik át a membránt. A transzmembránfehérjék az intrinzikus membránfehérjék klasszikus példái. Ezek átfogják a membránt, jellemzően α-hélix-konformációban, és többszörösen is átfoghatják a membránt. Néhány intergrális membránfehérje β-hélixet használ a membránon való áthaladáshoz. Ezek a struktúrák jellemzően nagyok és vízzel töltött csatornákat alkotnak. Az extrinsic vagy perifériás membránfehérjék lazán társulnak a lipid kettősréteg hidrofil felületeivel vagy az intrinsic membránfehérjékkel. Gyenge hidrofób, elektrosztatikus vagy nem kovalens kötéseket képeznek, de nem ágyazódnak be a membrán hidrofób magjába. Ezek a fehérjék poláros reagensek vagy magas pH-értékű oldatok alkalmazásával a membránból bontás nélkül leválaszthatók. Az extrinsic membránfehérjék kölcsönhatásba léphetnek a belső vagy a külső levéllel.