膜脂質は脂質二重層の基本構造を形成していますが、膜の活発な機能はタンパク質に依存します。 細胞接着、エネルギー伝達、シグナル伝達、細胞認識、輸送などは、膜タンパク質によって行われる重要な生物学的プロセスのほんの一部である。
タンパク質が細胞膜に結合する方法は3つある。 脂質二重層の疎水性領域に埋め込まれている内在性／積分型膜タンパク質、膜を横断する膜貫通型タンパク質で、膜を1回（シングルパス）または複数回（マルチパス）横断できるもの、脂質二重層の親水性表面と弱く会合する外来／周辺膜タンパク質、内在性膜タンパク質
タンパク質は3通りの方法で膜に会合することが可能である。 内在性または積分型の膜タンパク質は、脂質二重層の疎水性領域に埋め込まれている。 実験的には、これらのタンパク質は、洗剤や他の非極性溶媒で膜を物理的に破壊することによってのみ単離することができる。 モノセーブトピックタンパク質は、1枚のリーフレットに挿入されるが、膜をまたがない。 膜貫通型タンパク質は、内在性膜タンパク質の典型的な例です。 これらは、通常α-helixのコンフォメーションで膜をまたぎ、何度も膜をまたぐことができる。 いくつかの内在性膜タンパク質は、膜を横断するためにβ-バレルを使っている。 これらの構造は一般的に大きく、水で満たされたチャネルを形成する。 外来型膜タンパク質や周辺型膜タンパク質は、脂質二重層の親水性表面や内在性膜タンパク質と緩く結合している。 これらのタンパク質は弱い疎水性結合、静電結合、非共有結合を形成するが、膜の疎水性コアには埋め込まない。 これらのタンパク質は、極性試薬や高pH溶液の適用により、膜を破壊することなく、膜から解離させることができる。 外膜タンパク質は、内膜または外膜リーフレットと相互作用することができる。