La característica decisiva es que son moléculas anfipáticas: tienen en la misma molécula una zona hidrófila y otra hidrófoba.
Los fosfolípidos, que son los lípidos de membrana por excelencia, poseen una cabeza polar —el grupo fosfato con el alcohol unido a él— y dos colas apolares, que son las cadenas hidrocarbonadas de los ácidos grasos. Lo mismo ocurre con los esfingolípidos y, de otro modo, con el colesterol, que tiene un pequeño hidroxilo polar y un voluminoso esqueleto apolar.
En un medio acuoso, esa doble naturaleza hace que se organicen espontáneamente: las colas hidrófobas se agrupan entre sí para huir del agua y las cabezas se orientan hacia ella. El resultado es la bicapa lipídica, en la que las dos hileras de colas quedan enfrentadas en el interior y las cabezas miran a los dos medios acuosos, el extracelular y el citosol. Se forma sola, sin gasto de energía, y se cierra sobre sí misma porque un borde libre dejaría colas expuestas al agua; de ahí que la membrana sea continua y que se repare sola al romperse.
Además, los enlaces que mantienen unida la bicapa son débiles y no covalentes, lo que le da fluidez: las moléculas se desplazan lateralmente y la membrana se comporta como un líquido bidimensional en el que las proteínas pueden moverse. Esa fluidez la modulan la insaturación de los ácidos grasos —cuantos más dobles enlaces, más fluida— y el colesterol, que actúa de amortiguador.
Por último, al ser hidrófobo, el interior de la bicapa es una barrera para los iones y las moléculas polares, y esa impermeabilidad selectiva es justamente lo que permite a la célula mantener un medio interno distinto del externo.
Se asocian a proteínas y a glúcidos.
Con las proteínas forman el mosaico fluido. Las proteínas integrales o intrínsecas están embebidas en la bicapa, y muchas la atraviesan de lado a lado —transmembranosas—, con sus zonas hidrófobas en contacto con las colas y las hidrófilas asomando a los dos medios; actúan de canales, transportadores, bombas y receptores. Las proteínas periféricas o extrínsecas no penetran en la bicapa: se adosan a una de las dos caras, unidas a las cabezas polares o a otras proteínas, y suelen ser enzimáticas o de anclaje al citoesqueleto.
Con los glúcidos forman glucolípidos, y con las proteínas, glucoproteínas. Sus cadenas de oligosacáridos se sitúan exclusivamente en la cara externa de la membrana, orientadas hacia el medio extracelular, y constituyen el glucocálix. Nunca aparecen en la cara interna, y esa asimetría es esencial: son la seña de identidad de la célula y median en el reconocimiento celular, en la adhesión y en la respuesta inmunitaria.
El colesterol, en las células animales, se intercala entre los fosfolípidos de ambas monocapas y regula la fluidez.