Una delle caratteristiche distintive delle cellule eucariotiche è che contengono organelli legati alla membrana, come il nucleo e i mitocondri, che svolgono particolari funzioni. Poiché le membrane biologiche sono permeabili solo a un piccolo numero di sostanze, la membrana intorno a un organello crea un compartimento con condizioni controllate all'interno. Questi microambienti sono spesso distinti dall'ambiente del citosol circostante e sono su misura per le funzioni specifiche dell'organello.

Ad esempio, i lisosomi, gli organelli nelle cellule animali che digeriscono molecole e detriti cellulari, contengono un ambiente più acido del citosol circostante, perché i suoi enzimi richiedono un pH inferiore per catalizzare le reazioni. Allo stesso modo, il pH è regolato all'interno dei mitocondri, che li aiuta a svolgere la loro funzione di produrre energia.

Inoltre, alcune proteine richiedono un ambiente ossidativo per una corretta ripiegatura e processamento, ma il citosol è generalmente riduttivo. Pertanto, queste proteine sono prodotte da ribosomi nel reticolo endoplasmico (ER), che mantiene l'ambiente necessario. Le proteine vengono spesso trasportate all'interno della cellula attraverso vesciche legate alla membrana.

Il materiale genetico delle cellule eucariotiche è compartimentato all'interno del nucleo, che è circondato da una doppia membrana chiamata involucro nucleare. Piccoli pori nella busta controllano quali molecole o ioni possono entrare o uscire dal nucleo. Per esempio, l'RNA messaggero (mRNA) esce dal nucleo attraverso questi pori per portare le istruzioni genetiche codificate nel DNA ai ribosomi, dove possono essere tradotte in proteine.

Gli Organelli possono anche proteggere una cellula contenendo e neutralizzando sostanze pericolose. Ad esempio, i perossisomi eseguono reazioni di ossidazione che producono perossido di idrogeno, che è tossico per le cellule, ma contengono anche enzimi che lo convertono in ossigeno e acqua innocui. Pertanto, la compartimentazione consente alle cellule eucariotiche di svolgere una varietà di funzioni diverse che altrimenti sarebbero incompatibili in termini di ambienti richiesti o sottoprodotti prodotti.