Lipide sind ein wesentlicher Bestandteil aller biologischen Membranen. Der durchschnittliche Lipidgehalt in den Membranen von Säugetieren beträgt 50 %, obwohl er in der inneren Mitochondrienmembran bis zu 20 % oder in der Myelinscheide um die Nervenzellen herum bis zu 80 % betragen kann.

Phosphatidylcholin, Phosphatidylethanolamin, Phosphatidylserin und Sphingomyelin sind die häufigsten Phospholipide, die in Säugetiermembranen vorkommen. Bei physiologischem pH-Wert ist Phosphatidylserin negativ geladen, während die anderen drei neutral bleiben. In Membranlipiden kann die Anzahl der in den Fettsäuren vorhandenen Kohlenstoffatome und ihr Sättigungsgrad variieren. Die Fettsäuren können ohne Doppelbindungen, einfach ungesättigt mit nur einer Doppelbindung oder mehrfach ungesättigt mit mehreren Doppelbindungen sein.

Glykolipide stellen eine physiologisch wichtige Klasse von Membranlipiden dar, die immer auf der äußeren oder extrazellulären Seite der Membran vorhanden sind. In Eukaryoten kommen sie sowohl in der Plasmamembran als auch in den intrazellulären Membranen vor. Galactocerebrosid, ein einfaches Glykolipid, kommt zusammen mit Sphingomyelin reichlich in Myelinscheiden vor. Ganglioside, die komplexesten Glykolipide, sind aufgrund des Vorhandenseins von Sialinsäure negativ geladen und können bis zu 10% der Gesamtlipide in den Nervenzellmembranen ausmachen. Ganglioside werden auf ihre Rolle bei viralen und genetischen Erkrankungen untersucht. Das Gangliosid GM1 fungiert als Zelloberflächenrezeptor für Choleratoxin, während bei der Tay-Sachs-Krankheit, einer genetischen Störung, eine übermäßige Akkumulation von GM2-Gangliosiden beobachtet wird.

Eine weitere Klasse von Membranlipiden sind die Sterole. Pflanzenspezifische Sterole stellen einen wesentlichen Bestandteil der pflanzlichen Plasmamembran dar und können 30-50% der gesamten Membranlipide ausmachen. In eukaryotischen Membranen sind auch Cholesterin vorhanden, die fast 50% der Gesamtlipide ausmachen. Die Struktur von Cholesterin in menschlichen Zellmembranen unterscheidet sich geringfügig von Ergosterol, einem häufigen Lipidbestandteil der Pilzmembranen.