Os lipídios são um componente essencial de todas as membranas biológicas. O conteúdo lipídico médio nas membranas dos mamíferos é de 50%, embora possa ser tão baixo quanto 20% na membrana mitocondrial interna ou tão alto quanto 80% na bainha de mielina presente ao redor das células nervosas.

Fosfatidilcolina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina e esfingomielina são os fosfolipídios mais comuns presentes nas membranas de mamíferos. Em pH fisiológico, a fosfatidilserina é carregada negativamente, enquanto as outras três permanecem neutras. Nos lipídios de membrana, o número de átomos de carbono presentes nos ácidos graxos e seu grau de saturação podem variar. Os ácidos graxos podem ser totalmente saturados sem ligações duplas, monoinsaturados com apenas uma ligação dupla ou poliinsaturados com múltiplas ligações duplas.

Os glicolipídios compreendem uma classe fisiologicamente importante de lipídios de membrana que estão sempre presentes no lado externo ou extracelular da membrana. Nos eucariotos, eles são encontrados tanto na membrana plasmática quanto nas membranas intracelulares. O galactocerebrosídeo, um glicolipídio simples, existe abundantemente nas bainhas de mielina junto com a esfingomielina. Os gangliosídeos, os glicolipídios mais complexos, são carregados negativamente devido à presença de ácido siálico e podem constituir até 10% do total de lipídios nas membranas das células nervosas. Os gangliosídeos são estudados por seus papéis em doenças virais e genéticas. O gangliosídeo GM1 atua como um receptor de superfície celular para a toxina da cólera, enquanto um acúmulo excessivo de gangliosídeos GM2 é observado na doença de Tay-Sachs, um distúrbio genético.

Outra classe de lipídios de membrana são os esteróis. Os esteróis específicos da planta constituem um componente significativo da membrana plasmática da planta e podem compreender 30-50% do total de lipídios da membrana. Nas membranas eucarióticas, os colesterol também estão presentes, constituindo quase 50% do total de lipídios. A estrutura do colesterol nas membranas celulares humanas é ligeiramente diferente do ergosterol, um constituinte lipídico comum das membranas fúngicas.