Cette membrane ressemble beaucoup à celle des eucaryotes. Elle est composé d’une double couche de phosphoglycérolipides, avec des protéines et de trace de glucide. Elle ne possède toutefois pas de stérol. Cette structure est présente chez toutes les bactéries. Cette membrane contrôle les échanges entre le milieu intérieur et le milieu extérieur. Elle assure donc l’approvisionnement de la cellule et l’élimination des déchets. Ces échanges peuvent être effectués par transport actif ou passif. 

Si ces échanges sont faits dans le sens du gradient de concentration, ils peuvent être effectuer de trois façons

1) Par diffusion : si les substances sont solubles dans les lipides
2) À travers un pore : si les substances sont insolubles dans les lipides et de faibles poids moléculaire
3) Par diffusion facilitée : à l’aide de transporteurs (perméases)

Si les échanges sont faits dans le sens contraire au gradient de concentration, le transport nécessite de l’ATP et est effectué à l’aide de protéine de transport ou par translocation. 

La membrane cytoplasmique assure également la régulation de la pression osmotique.