生物膜所含的蛋白叫膜蛋白，是生物膜功能的主要承担者。 根据蛋白分离的难易及在膜中分布的位置，膜蛋白基本可分为三大类：外在膜蛋白或称外周膜蛋白、内在膜蛋白或称整合膜蛋白和脂锚定蛋白。膜蛋白包括糖蛋白，载体蛋白和酶等。通常在膜蛋白外会连接着一些糖类，这些糖会通过糖本身分子结构变化将信号传到细胞内。

膜蛋白

膜蛋白（左：外周膜蛋白与内在膜蛋白；右：脂锚定蛋白）

脂锚定膜蛋白是通过与之共价相连的脂分子插入膜的脂双分子中，从而锚定在细胞质膜上。

膜蛋白可作为载体而将物质转运进出细胞。有些膜蛋白是激素或其他化学物质的专一受体，如甲状腺细胞上有接受来自脑垂体的促甲状腺素的受体。膜表面还有各种酶，使专一的化学反应能在膜上进行，如内质网膜上的能催化磷脂的合成等。细胞的识别功能也决定于膜表面的蛋白质。这些蛋白常常是表面抗原。表面抗原能和特异的抗体结合，如人细胞表面有一种蛋白质抗原HLA，是一种变化极多的二聚体。不同的人有不同的HLA分子，器官移植时，被植入的器官常常被排斥，这是因为植入细胞的HLA分子不为受体所接受之故。

很多膜蛋白在脂双层中能够自由移动，这可通过人、鼠两种细胞的融合后，再用其中一种细胞的抗体，比如小鼠细胞的抗体，以荧光染料染色，而后将这种带有荧光的抗体放入融合细胞的外面介质中，抗体就会和小鼠细胞的表面抗原结合。结果小鼠细胞表面也有了荧光，而人细胞由于不合小鼠抗体结合，就没有荧光。这样就可以在荧光显微镜下分清两种细胞的表面抗原了。实验结果表明，细胞开始融合时，人、鼠细胞的表面抗原“泾渭分明”，各自只分布于各自的细胞表面；但在融合之后，两种抗原就逐渐平均分布在融合细胞的表面了。这一实验说明膜蛋白是可移动的，也证明了膜的流动性。不过，有些膜蛋白是不能移动或不能自由移动的。