Структурну основу клітинної мембрани (матрикс) складає бімолекулярний шар фосфоліпідів, що є бар'єром для заряджених частинок і молекул водорозчинних речовин. Ліпіди забезпечують високу електричний опір мембрани нейрона - до 100 Ом/см2.

Молекули фосфоліпідів мембрани складаються з двох частин: одна з них несе заряд і гідрофільна, інша - не заряджена і гідрофобних. Це визначає здатність ліпідів мимовільно утворювати Двошарові мембранні структури під впливом власних зарядів. У клітинній мембрані заряджені гідрофільні ділянки молекул фосфоліпідів від одних молекул спрямовані усередину клітини, а від інших молекул - назовні. У товщі клітинної мембрани молекули фосфоліпідів взаємодіють незарядженим гідрофобними ділянками (вони «заховані» від внутрішньоклітинної і позаклітинної води). У ліпідному шарі клітинних мембран багато холестерину. Обмін ліпідів на відміну від обміну білків відбувається повільніше, проте збудження нейронів мозку призводить до зменшення вмісту в них ліпідів. Зокрема, після тривалої розумової роботи, при стомлюваності кількість фосфоліпідів у нейронах зменшується (можливо, це пов'язано з більш яскравою пам'яттю в осіб напруженої розумової праці). Склад мембранних ліпідів визначається середовищем проживання і характером харчування. Так, підвищення кількості рослинних жирів у харчовому раціоні зменшує щільність ліпідів клітинних мембран і поліпшує функції останніх. Надлишок холестерину в мембранах підвищує їх мікровязкость, погіршує транспортні функції клітинної мембрани. Однак недолік жирних кислот і холестерину в їжі порушує ліпідний склад і функції клітинних мембран. Оптимальне співвідношення жирів тваринного і рослинного походження в харчовому раціоні людини має бути 60-70% і 40-30% відповідно.

Молекули білків вбудовані в фосфоліпідний матрикс клітинної мембрани. У клітинних мембранах зустрічаються тисячі різних білків, які можна об'єднати в основні класи: структурні білки, переносники, ферменти, білки, що утворюють канали, іонні насоси, специфічні рецептори. Один і той же білок може бути рецептором, ферментом і насосом.

Канали утворені білковими молекулами, вкрапленими в ліпідний матрикс, вони пронизують мембрану. Через ці канали можуть проходити полярні молекули. Багато мембранні білки, так само як фосфоліпіди, складаються з двох частин - зарядженої і незарядженої. Незаряджені ділянки білків занурені у ліпідний шар, що не несе заряду.