În timp ce lipidele membranare formează structura de bază a bistratului lipidic, funcțiile active ale membranei depind de proteine. Aderarea celulară, transducția energiei, semnalizarea, recunoașterea și transportul celular sunt doar câteva dintre procesele biologice importante desfășurate de proteinele membranare.
Există trei moduri în care proteinele se pot asocia cu membrana plasmatică: proteinele membranare intrinseci/integrale care sunt încorporate în regiunea hidrofobă a stratului bistrat lipidic, proteinele transmembranare care traversează membrana, care pot traversa membrana o singură dată (single-pass) sau de mai multe ori (multi-pass) și proteinele membranare extrinseci sau periferice care se asociază slab cu suprafețele hidrofile ale stratului bistrat lipidic sau cu proteinele membranare intrinseci
Proteinele se pot asocia cu membrana într-unul din cele trei moduri. Proteinele membranare intrinseci sau integrale se încorporează în regiunea hidrofobă a stratului biliar lipidic. Din punct de vedere experimental, aceste proteine pot fi izolate numai prin întreruperea fizică a membranei cu detergent sau alt solvent nepolar. Proteinele Mono Save topic se inserează într-o singură frunză, dar nu traversează membrana. Proteinele transmembranare sunt exemplele clasice de proteine membranare intrinseci. Acestea acoperă membrana, de obicei într-o conformație α-helix și pot acoperi membrana de mai multe ori. Unele proteine membranare intrinseci folosesc β-barile pentru a traversa membrana. Aceste structuri sunt de obicei mari și formează canale umplute cu apă. Proteinele membranare extrinseci sau periferice se asociază lejer cu suprafețele hidrofile ale stratului bilateral lipidic sau cu proteinele membranare intrinseci. Acestea formează legături slabe hidrofobe, electrostatice sau necovalente, dar nu se încorporează cu nucleul hidrofob al membranei. Aceste proteine pot fi disociate de membrană fără a o întrerupe prin aplicarea de reactivi polari sau soluții cu pH ridicat. Proteinele membranare extrinseci pot interacționa cu frunza internă sau externă.