Die Zellmembran (Membrana cellularis), bei Pflanzenzellen auch Plasmalemma genannt, ist eine elastisch verformbare, häutchenartige Struktur, die die lebende Zelle umgibt und ihr inneres Milieu aufrechterhält. Bei einer Stärke von etwa 6–10 nm ist sie lichtmikroskopisch höchstens als vage Linie erfassbar. Aufgebaut ist sie nach dem Prinzip einer Biomembran. Sie 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 Transmembranproteine die Lipidschicht völlig durchdringen. Sind sie mit Zuckern verknüpft spricht man von Glykoproteinen.
Grundlegend für die Funktion biologischer Membranen ist, dass sie in der Lage sind, Stoffe auslesend passieren zu lassen. Im Gegensatz dazu sind einfache Membranen nur selektiv permeabel, was bedeutet, dass sie für Wasser, das als Lösungsmittel fungiert, durchlässig sind, nicht jedoch für gelöste größere Teilchen (größere Moleküle und geladene Teilchen = Ionen). Grundlegende Mechanismen an der Membran sind Diffusion und Osmose, denn durch diese Vorgänge wird letztendlich etwas durch die Membran transportiert. Für den Austausch zwischen Cytosol und Extrazellulärraum sorgen spezielle Strukturen in der Membran: Transporter (Carrier), ATP-abhängige Pumpen und Ionenkanäle. Nach außen aus der Membran ragende Molekülgruppen (wie zum Beispiel die Kohlenhydratketten der Glykokalyx) sorgen für spezifische Membraneigenschaften und haben Antigen-Charakter.
Die meisten Zellen besitzen ein Membranpotenzial, was heißt, dass zwischen innen und außen eine Potenzialdifferenz besteht. Es entsteht durch unterschiedliche Stoff- und Ladungsverteilung ein elektrochemischer Gradient.
Die Außenseite der Zellmembran ist mit verschiedenen Rezeptoren besetzt.
Durch die teilweise Fluidität der Membran können Membranbestandteile in lateraler Richtung diffundieren. Ein Wechsel von Lipiden zwischen beiden Schichten, Flipflop genannt, erfordert dagegen ATP-abhängige Enzyme, die so genannten Flippasen. Biologische Membranen sind verformbar, allerdings kaum dehnbar in lateraler Richtung. Während bei Eukaryonten Cholesterin-Moleküle in der Doppellipidschicht für die Verschiebbarkeit sorgen, sind es bei Prokaryonten Hopanoide.
Sonderbildungen sind bei tierischen Zellmembranen die Mikrovilli, [[Pseudopodium|Pseudopodien]llllllllllllllllllllllllllllll]-artige Ausstülpungen nach außen, die die Oberfläche der Membran vergrößern und zusammen den "Bürstensaum" der Zelle bilden.