细胞膜除作为细胞的机械性和化学性屏障外，还具有一系列重要的功能诸如细胞内外的物质交换、细胞运动、细胞识别以及细胞的生长调控、免疫决定和各种表面受体形成等。
细胞的物质交换：细胞内外的物质交换主要以两种方式进行，一为渗透，一为出入胞过程。渗透乃指低分子物质（主要为水和电解质)通过细胞膜进出细胞，又可分两种情况：一种是按该物质在细胞内外环境中的浓度差，由浓高的一侧弥散底到低的一侧（被动运输)；另一种则逆浓度差进行，即由浓度低的一侧向浓度高的一侧输送（主动运输)，其经典的例子即Na+和K+的运输（在细胞内Na+和K+的比例为1:20，而在细胞外隙则为30:1)，即依靠所谓“钠泵”的作用将Na+移向细胞外隙，而使K+移向细胞内。这种主动运输是一个耗能的过程，并由Na+和K+激活细胞膜上的ATP酶分解ATP而提供所需的能量。因此，如ATP酶受到某些毒物的抑制，则这种主动运输过程也同样受到阻抑。除Na+和K+外，其他一些有机物质如葡萄糖、氨基酸以及一些低分子代谢产物也是借这样的过程运输的。
第二种物质运输方式为出入胞过程。较大的分子和颗粒不能借渗透过程通过细胞膜，乃借出入胞过程将细胞内物质运送到细胞外和将细胞外物质移入细胞内。前者称为出胞（exocytosis)，后者称为入胞(endocytosis)。进入细胞的如为液态物质则称之为胞饮或吞饮（pinocytosis)，如为固体颗粒（如细菌、尘粒等异物)则称之为吞噬（phagocytosis)。在吞饮过程中，被吞饮的物质先接触并附着于细胞膜上，然后该处细胞膜连同该物质内凹，继而从细胞膜上断离下来，在胞浆内形成有膜包绕的小泡（吞饮小泡)；吞噬过程与吞饮相似，稍不同的是，被吞噬物附着于细胞膜上后，细胞膜乃形成伪足样突起，将该物质环抱，最后封闭成有膜包绕的泡状结构，从而将该物质移入胞浆内（吞噬泡或吞噬体)。细胞自身的成分如蛋白质分子、糖原颗料、衰变的或受损而待处理的细胞器等，亦可被膜包绕而形成自噬泡（autophagic vacuoles)或自噬体（autophagosome)。胞饮泡或吞噬泡一般在胞浆内与溶酶体相结合，并被溶酶体酶所降解消化。但胞饮泡也可不经处理而穿过胞浆，最后从细胞的另一极重新移出细胞外。
细胞膜上还有特殊的识别区，结合在糖萼上，借此，细胞可相互识别，从而相互接近形成一定的细胞组合，或相互排斥而分离。同样，通过识别区，增生中的细胞在互相接触时就会停止分裂（接触抑制)，而癌细胞则已失去这种表面功能，故可不受限制地增生。此外，细胞膜上还有一种膜抗原可以识别“自我”和“非我”（组织相容性抗原)。这种膜抗原在器官移植中具有重要意义，因为它可致敏受体，从而引起对移植物的排斥反应。最后，细胞上还有一些特异性区域带着特殊的化学簇，可以接受相应的化学信号，称为膜受体或表面受体。但从形态学上不能辨认。这种膜受体具有十分重要的意义，因为已知许多物质如激素、免疫球蛋白、药物、毒素以及感染因子等都是作为外来信号被受体接受后才转化为细胞内效应而发挥其作用。如封闭其受体，则亦同时消除其作用。
