La membrana cellulare, detta anche membrana plasmatica, plasmalemma o citomembrana, è un sottile rivestimento, con spessore di 5-100 nm (50-1000 Å)[1], che delimita la cellula in tutti gli organismi viventi, la separa dall'ambiente esterno e ne regola gli scambi di elementi e sostanze chimiche. Nelle cellule eucariote delimita anche gli organelli interni alla cellula. Osservazioni al TEM (microscopio elettronico a trasmissione) hanno dimostrato che tutte le cellule sono delimitate da una membrana.
Formata in prevalenza da lipidi, in massima parte fosfolipidi, viene chiamata anche "doppio strato fosfolipidico" o "bilayer fosfolipidico", secondo l'accezione inglese, perché si dispongono in un doppio strato di fosfolipidi con le teste idrofile volte verso l'ambiente esterno e il citoplasma. Le code idrofobe di conseguenza sono in contatto tra loro "nell'interno" del bilayer. Questa disposizione minimizza la superficie delle teste idrofile in contatto con l'acqua.
Nella componente lipidica si vanno a collocare, con importanti funzioni fisiologiche, proteine e una piccola percentuale di glucidi, in forma di glicoproteine e glicolipidi, e di molecole di colesterolo che la stabilizzano. Questa conformazione rende ragione delle principali funzioni delle membrane, in particolare del trasporto di sostanze dall'esterno della cellula all'interno e viceversa.
Esiste una sostanziale uniformità di struttura fra il plasmalemma e le altre membrane che delimitano i diversi comparti cellulari o organuli. Negli organismi eucarioti animali la membrana cellulare è lo strato più esterno, mentre nelle cellule eucariote vegetali è presente una parete cellulare; in alcuni procarioti la membrana cellulare è ricoperta da un rivestimento protettivo chiamato parete batterica.