磷脂双层是由两层磷脂分子构成的薄片，是几乎所有细胞膜的基本结构。它大约有 5 纳米厚，这一厚度是从一侧分子头部的外缘量到另一侧分子头部外缘的距离。纳米是十亿分之一米。

大小

每个磷脂分子都有一个亲水的头部和两条疏水的尾部。在双层结构中，头部朝向两侧的水，尾部在中间相遇，形成一个疏水核心。2000 年的一项综述测量发现，由常见磷脂——磷脂酰胆碱——组成的双层，在活细胞中呈流动状态时，总厚度为 4.4–4.7 纳米；在温度较低、排列更有序的状态下，厚度可达 5.2 纳米。

在流动状态的双层中，疏水核心占厚度的 2.6–2.9 纳米。真实的细胞膜混合了多种脂质。2004 年发表的 X 射线测量结果显示，大鼠肝细胞膜两侧磷酸基团之间的距离为 3.6–4.3 纳米，头部则比磷酸基团略微向外延伸。

细胞膜中还密布着蛋白质，约占膜面积的一半，许多蛋白质在膜的两侧都有突出部分。把这些蛋白质计算在内，整个细胞膜的厚度通常被描述为 5–10 纳米。

大小比较

磷脂双层把细胞内部的水和溶解物质与外部的隔开。它的疏水核心能阻挡水，也能阻挡带电或极性的物质——极性分子是指电荷在分子内分布不均匀的分子。磷脂放入水中会自发形成双层结构，而且这种结构能够自我修复。一根极细的针可以穿过细胞膜而不会使其破裂，针拔出后，膜会重新愈合。

科学家在 19 世纪 90 年代确认了细胞膜的存在，并于 1915 年发现它主要由脂质和蛋白质构成。1935 年，休·戴维森和詹姆斯·丹尼利提出，细胞膜的结构就像三明治，脂质是夹心，蛋白质是外层的面包片。20 世纪 50 年代，透射电子显微镜显示，细胞膜的核心是双层而非单层结构。

1972 年，S. J. 辛格和加思·尼克尔森提出了流动镶嵌模型，这一模型至今仍是解释细胞膜结构和功能的最佳模型。它把细胞膜描绘成由磷脂、胆固醇、蛋白质和碳水化合物组成的镶嵌图案，这些成分像松动的瓷砖一样彼此漂浮、滑动。

Structure of Lipid Bilayers. Nagle and Tristram-Nagle, Biochimica et Biophysica Acta, 2000.
Modulation of the Bilayer Thickness of Exocytic Pathway Membranes by Membrane Proteins Rather Than Cholesterol. Mitra et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 2004.
What Is the Thickness of the Cell Membrane?. In Cell Biology by the Numbers. Milo and Phillips, Garland Science, 2015.
Components and Structure. In Biology 2e, 2nd edition. OpenStax, 2018.
α-helix. In Foundations of Protein Structure. EMBL-EBI Training.
Conformational Changes and Nuclear Entry of Porcine Circovirus without Disassembly. Wang et al., Journal of Virology, 2019.
Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.