Embora os lípidos da membrana formem a estrutura básica da camada lipídica, as funções activas da membrana são dependentes das proteínas. Adesão celular, transdução de energia, sinalização, reconhecimento e transporte das células são apenas alguns dos importantes processos biológicos realizados pelas proteínas da membrana.
Existem três formas de associação das proteínas com a membrana plasmática: proteínas intrínsecas/integrais da membrana que estão embutidas na região hidrofóbica do bocal lipídico, proteínas transmembrana que atravessam a membrana, que podem atravessar a membrana uma vez (single-pass), ou várias vezes (multi-pass), e proteínas extrínsecas ou periféricas da membrana que se associam fracamente com as superfícies hidrofílicas do bocal lipídico ou proteínas intrínsecas da membrana
Proteínas podem se associar com a membrana de uma das três maneiras. Proteínas intrínsecas ou de membrana integral embutidas na região hidrofóbica do bileto lipídico. Experimentalmente, estas proteínas só podem ser isoladas através da perturbação física da membrana com detergente ou outro solvente não polar. Mono Save topic proteins insert in one leaflet but do not span the membrane. As proteínas transmembrana são os exemplos clássicos de proteínas intrínsecas da membrana. Elas atravessam a membrana, normalmente em uma conformação de hélice α e podem atravessar a membrana várias vezes. Algumas proteínas de membrana intergral usam β-barrels para atravessar a membrana. Estas estruturas são tipicamente grandes e formam canais cheios de água. As proteínas extrínsecas ou periféricas das membranas se associam de forma solta com as superfícies hidrofílicas do bocal lipídico ou proteínas intrínsecas das membranas. Elas formam ligações hidrofóbicas, eletrostáticas ou não covalentes fracas, mas não se encaixam com o núcleo hidrofóbico da membrana. Estas proteínas podem ser dissociadas da membrana sem a perturbar através da aplicação de reagentes polares ou soluções de pH elevado. As proteínas extrínsecas da membrana podem interagir com o folheto interno ou externo.