Men även om membranlipiderna utgör den grundläggande strukturen i lipiddubbelskiktet är membranets aktiva funktioner beroende av proteinerna. Celladhesion, energiöverföring, signalering, celligenkänning och transport är bara några av de viktiga biologiska processer som utförs av membranproteiner.
Det finns tre sätt på vilka proteiner kan associeras med plasmamembranet: Intrinsiska/integrala membranproteiner som är inbäddade i den hydrofoba regionen av lipiddubbelskiktet, transmembranproteiner som sträcker sig över membranet och som kan korsa membranet en gång (single-pass) eller flera gånger (multi-pass), och extrinsiska eller perifera membranproteiner som associerar sig svagt med lipiddubbelskiktets hydrofila ytor eller med intrinsiska membranproteiner
Proteiner kan associera sig med membranet på ett av tre sätt. Intrinsika eller integrala membranproteiner bäddar in sig i den hydrofoba regionen av lipiddubbelskiktet. Experimentellt kan dessa proteiner endast isoleras genom att fysiskt störa membranet med detergent eller annat opolärt lösningsmedel. Mono Save topic-proteiner infogar sig i ett blad men spänner inte över membranet. Transmembranproteiner är de klassiska exemplen på intrinsiska membranproteiner. Dessa spänner över membranet, vanligtvis i en α-helixkonformation och kan spänna över membranet flera gånger. Vissa intergrala membranproteiner använder β-helixar för att korsa membranet. Dessa strukturer är vanligtvis stora och bildar vattenfyllda kanaler. Extrinsika eller perifera membranproteiner associerar löst med de hydrofila ytorna i lipiddubbelskiktet eller intrinsika membranproteiner. De bildar svaga hydrofoba, elektrostatiska eller icke-kovalenta bindningar, men de bäddar inte in sig i membranets hydrofoba kärna. Dessa proteiner kan lösgöras från membranet utan att det bryts genom användning av polära reagenser eller lösningar med högt pH. Extrinsika membranproteiner kan interagera med det inre eller yttre membranbladet.