Aunque los lípidos de la membrana forman la estructura básica de la bicapa lipídica, las funciones activas de la membrana dependen de las proteínas. La adhesión celular, la transducción de energía, la señalización, el reconocimiento celular y el transporte son sólo algunos de los importantes procesos biológicos llevados a cabo por las proteínas de membrana.
Hay tres formas en que las proteínas pueden asociarse con la membrana plasmática: Las proteínas intrínsecas/integrales de membrana que se incrustan en la región hidrofóbica de la bicapa lipídica, las proteínas transmembrana que atraviesan la membrana, que pueden cruzar la membrana una vez (paso único), o múltiples veces (paso múltiple), y las proteínas extrínsecas o periféricas de membrana que se asocian débilmente con las superficies hidrofílicas de la bicapa lipídica o con las proteínas intrínsecas de membrana
Las proteínas pueden asociarse con la membrana de una de estas tres maneras. Las proteínas intrínsecas o integrales de membrana se incrustan en la región hidrofóbica de la bicapa lipídica. Experimentalmente, estas proteínas sólo pueden aislarse interrumpiendo físicamente la membrana con detergente u otro disolvente no polar. Las proteínas monotemáticas se insertan en una hoja pero no abarcan la membrana. Las proteínas transmembrana son los ejemplos clásicos de proteínas intrínsecas de membrana. Estas abarcan la membrana, normalmente en una conformación de α-hélice y pueden abarcar la membrana varias veces. Algunas proteínas intergrales de membrana utilizan β-barras para atravesar la membrana. Estas estructuras suelen ser grandes y forman canales llenos de agua. Las proteínas extrínsecas o periféricas de la membrana se asocian libremente con las superficies hidrofílicas de la bicapa lipídica o con las proteínas intrínsecas de la membrana. Forman enlaces hidrofóbicos débiles, electrostáticos o no covalentes, pero no se incrustan con el núcleo hidrofóbico de la membrana. Estas proteínas pueden disociarse de la membrana sin interrumpirla mediante la aplicación de reactivos polares o soluciones de alto pH. Las proteínas extrínsecas de la membrana pueden interactuar con el prospecto interno o externo.