Uma das características que distinguem as células eucarióticas é que elas têm organelos ligados a membrana—como o núcleo e as mitocôndrias—que realizam funções específicas. Uma vez que as membranas biológicas são apenas permeáveis a um pequeno número de substâncias, a membrana ao redor de um organelo cria um compartimento com condições controladas no seu interior. Esses microambientes são muitas vezes distintos do ambiente do citosol circundante e são adaptados às funções específicas do organelo.

Por exemplo, os lisossomas—organelos em células animais que digerem moléculas e detritos celulares—mantêm um ambiente mais ácido que o citosol circundante, porque as suas enzimas requerem um pH mais baixo para catalisar reações. Da mesma forma, o pH é regulado dentro das mitocôndrias, ajudando a realizar sua função de produção de energia.

Além disso, algumas proteínas requerem um ambiente oxidativo para enovelamento e processamento adequados, mas o citosol é geralmente redutivo. Portanto, essas proteínas são produzidas por ribossomas no retículo endoplasmático (ER), o que mantém o ambiente necessário. As proteínas são frequentemente transportadas dentro da célula através de vesículas ligadas a membrana.

O material genético das células eucarióticas é compartimentalizado dentro do núcleo, que é cercado por uma dupla membrana chamada de envelope nuclear. Pequenos poros no envelope controlam que moléculas ou iões podem entrar ou sair do núcleo. Por exemplo, o RNA mensageiro (mRNA) sai do núcleo através desses poros para levar as instruções genéticas codificadas no DNA para os ribossomas, onde podem ser traduzidos em proteínas.

Organelos também podem proteger uma célula contendo e neutralizando substâncias perigosas. Por exemplo, os peroxissomas realizam reações de oxidação que produzem peróxido de hidrogénio—que é tóxico para as células—mas também contêm enzimas que o convertem em oxigénio e água inofensivos. Portanto, a compartimentalização permite que as células eucarióticas realizem uma variedade de funções diferentes que de outra forma seriam incompatíveis em termos dos seus ambientes ou subprodutos produzidos.