I lipidi sono un componente essenziale di tutte le membrane biologiche. Il contenuto medio di lipidi nelle membrane dei mammiferi è del 50%, anche se può essere fino al 20% nella membrana mitocondriale interna o fino all'80% nella guaina mielinica presente intorno alle cellule nervose.

La fosfatidilcolina, la fosfatidiletanolammina, la fosfatidilserina e la sfingomielina sono i fosfolipidi più comuni presenti nelle membrane dei mammiferi. A pH fisiologico, la fosfatidilserina è caricata negativamente, mentre le altre tre rimangono neutre. Nei lipidi di membrana, il numero di atomi di carbonio presenti negli acidi grassi e il loro grado di saturazione possono variare. Gli acidi grassi possono essere completamente saturi senza doppi legami, monoinsaturi con un solo doppio legame o polinsaturi con più doppi legami.

I glicolipidi comprendono una classe fisiologicamente importante di lipidi di membrana che sono sempre presenti sul lato esterno o extracellulare della membrana. Negli eucarioti, si trovano sia nella membrana plasmatica che nelle membrane intracellulari. Il galattocerebroside, un glicolipide semplice, esiste in abbondanza nelle guaine mieliniche insieme alla sfingomielina. I gangliosidi, i glicolipidi più complessi, sono caricati negativamente a causa della presenza di acido sialico e possono costituire fino al 10% dei lipidi totali nelle membrane delle cellule nervose. I gangliosidi sono studiati per il loro ruolo nelle malattie virali e genetiche. Il ganglioside GM1 agisce come recettore della superficie cellulare per la tossina del colera, mentre un eccessivo accumulo di gangliosidi GM2 si osserva nella malattia di Tay-Sachs, una malattia genetica.

Un'altra classe di lipidi di membrana sono gli steroli. Gli steroli specifici per le piante costituiscono un componente significativo della membrana plasmatica delle piante e possono comprendere il 30-50% dei lipidi totali di membrana. Nelle membrane eucariotiche sono presenti anche i colesterolo, che costituiscono quasi il 50% dei lipidi totali. La struttura del colesterolo nelle membrane cellulari umane è leggermente diversa dall'ergosterolo, un costituente lipidico comune delle membrane fungine.