Die Zellmembran (Membrana cellularis), bei Pflanzenzellen auch Plasmalemma genannt, ist eine die lebende Zelle umgebende und deren inneres Milieu aufrechterhaltende, elastisch verformbare, lichtmikroskopisch höchstens als vage Linie erfassbare häutchenartige Struktur. Sie ist nach dem Prinzip einer Biomembran aufgebaut, besteht also chemisch aus
- Lipiden, vor allem Phospholipiden und Glykolipiden, die eine Doppellipidschicht bilden und deren polare, hydrophile Enden dem wässrigen Umgebungsmilieu entgegenragen, während die apolaren, lipophilen Schwänze einander zugekehrt sind,
- Proteinen, die in den Lipidfilm eintauchen, z.T. aber auch zur Innen- bzw. Außenfläche der Membran hin gelagert sind oder als Tunnelproteine die Lipidschicht völlig durchdringen.
Zellmembranen besitzen an ihrer dem Umgebungsmedium zugekehrten Außenseite Rezeptoreigenschaften. Vielfach sorgen in der Membran sitzende Transportproteine (Carrier) für den Import von Stoffen in die Zelle. Nach außen aus der Membran ragende Molekülgruppen (wie zum Beispiel Kohlenhydratketten) sorgen für spezifische Membraneigenschaften und haben Antigen-Charakter.
Sonderbildungen sind bei tierischen Zellmembranen die Mikrovilli, Pseudopodien-artige Ausstülpungen nach außen, die die Oberfläche der Membran vergrößern und zusammen den "Bürstensaum" der Zelle bilden.