Weliswaar vormen membraanlipiden de basisstructuur van de lipidenbilaag, maar de actieve functies van het membraan zijn afhankelijk van de eiwitten. Celadhesie, energietransductie, signaaltransductie, celherkenning en -transport zijn slechts enkele van de belangrijke biologische processen die door membraaneiwitten worden uitgevoerd.
Er zijn drie manieren waarop eiwitten zich met het plasmamembraan kunnen associëren: intrinsieke/integrale membraaneiwitten die zijn ingebed in het hydrofobe gebied van de lipidebilaag, transmembraaneiwitten die het membraan overspannen en het membraan één keer (single-pass), of meerdere keren (multi-pass) kunnen oversteken, en extrinsieke of perifere membraaneiwitten die zwak associëren met de hydrofiele oppervlakken van de lipidebilaag of intrinsieke membraaneiwitten
Eiwitten kunnen op een van de drie manieren met het membraan associëren. Intrinsieke of integrale membraaneiwitten nestelen zich in het hydrofobe gebied van de lipidebilaag. Experimenteel kunnen deze eiwitten alleen worden geïsoleerd door het membraan fysisch te verstoren met een detergens of een ander apolair oplosmiddel. Mono-membraan-eiwitten brengen in één blad aan, maar overspannen het membraan niet. Transmembraaneiwitten zijn de klassieke voorbeelden van intrinsieke membraaneiwitten. Deze overspannen het membraan, meestal in een α-helix conformatie en kunnen het membraan meerdere malen overspannen. Sommige intergrale membraaneiwitten gebruiken β-barrels om het membraan te doorkruisen. Deze structuren zijn doorgaans groot en vormen met water gevulde kanalen. Extrinsieke of perifere membraaneiwitten associëren zich losjes met de hydrofiele oppervlakken van de lipide bilaag of intrinsieke membraaneiwitten. Zij vormen zwakke hydrofobe, elektrostatische of niet-covalente bindingen, maar verankeren zich niet met de hydrofobe kern van het membraan. Deze eiwitten kunnen worden losgemaakt van het membraan zonder het te verstoren door toepassing van polaire reagentia of hoge pH-oplossingen. Extrinsieke membraaneiwitten kunnen interageren met het binnenste of buitenste blad.