Podczas gdy lipidy błonowe tworzą podstawową strukturę dwuwarstwy lipidowej, aktywne funkcje błony zależą od białek. Przyleganie komórek, transdukcja energii, sygnalizacja, rozpoznawanie komórek i transport to tylko niektóre z ważnych procesów biologicznych realizowanych przez białka błonowe.
Wyróżnia się trzy sposoby, w jakie białka mogą wiązać się z błoną plazmatyczną: intrinsic/integral membrane proteins that are embedded in the hydrophobic region of the lipid bilayer, transmembrane proteins that span across the membrane, which can cross the membrane once (single-pass), or multiple times (multi-pass), and extrinsic or peripheral membrane proteins that associate weakly with the hydrophilic surfaces of the lipid bilayer or intrinsic membrane proteins
Białka mogą wiązać się z błoną na jeden z trzech sposobów. Intrinsic lub integralne białka błonowe osadzają się w hydrofobowym regionie dwuwarstwy lipidowej. Eksperymentalnie, te białka mogą być izolowane tylko przez fizyczne przerwanie membrany detergentem lub innym niepolarnym rozpuszczalnikiem. Białka jednobłonowe wstawiają się do jednego listka, ale nie rozciągają się na błonę. Białka transbłonowe są klasycznym przykładem wewnątrzbłonowych białek. Rozciągają się one na błonę, zwykle w konformacji helisy α i mogą rozciągać się na błonę wielokrotnie. Niektóre intergralne białka błonowe używają β-ligi do przekraczania błony. Struktury te są zwykle duże i tworzą kanały wypełnione wodą. Zewnętrzne lub peryferyjne białka błonowe luźno łączą się z hydrofilowymi powierzchniami dwuwarstwy lipidowej lub wewnętrznymi białkami błonowymi. Tworzą one słabe wiązania hydrofobowe, elektrostatyczne lub niekowalencyjne, ale nie wiążą się z hydrofobowym rdzeniem błony. Białka te można oddzielić od błony bez jej naruszania poprzez zastosowanie polarnych odczynników lub roztworów o wysokim pH. Zewnętrzne białka membranowe mogą oddziaływać z wewnętrznym lub zewnętrznym płatkiem.