脂質雙層（或磷脂雙層）是由兩層脂質分子組成的薄極性膜。 這些膜是平板，在所有細胞周圍形成連續的屏障。 幾乎所有生物體和許多病毒的細胞膜都由脂質雙層構成，細胞核周圍的核膜和細胞內膜結合細胞器的膜也是如此。 脂質雙層是將離子、蛋白質和其他分子保持在需要的位置并防止它們擴散到不應出現的區域的屏障。 磁雙分子層非常適合這個角色，即使它們只有幾納米寬，因為它們對大多數水溶性（親水）分子是不可滲透的。 雙層對離子特別不可滲透，這使得細胞可以通過使用稱為離子泵的蛋白質將離子傳輸穿過它們的膜來調節鹽濃度和 pH 值。

生物雙層通常由兩親性磷脂組成，這些磷脂具有親水性磷酸鹽頭部和由兩條脂肪酸鏈組成的疏水性尾部。 具有某些頭部基團的磷脂可以改變雙層的表面化學性質，例如，可以作為細胞膜中其他分子的信號和錨點。 就像頭部一樣，脂質的尾部也會影響膜的特性，例如通過確定雙層的相。 雙層可以在較低溫度下采用固態凝膠相態，但在較高溫度下會相變為液態，而脂質尾部的化學性質會影響發生這種情況的溫度。 雙層內脂質的堆積也會影響其機械性能，包括其抗拉伸和彎曲的能力。 許多這些特性已經通過使用實驗室生產的人造模型雙層進行了研究。 由模型雙層制成的囊泡也已在臨床上用于遞送藥物。

除了構成雙層的磷脂之外，生物膜的結構通常還包括幾種類型的分子。 動物細胞中一個特別重要的例子是膽固醇，它有助于加強雙層并降低其滲透性。 膽固醇還有助于調節某些整合膜蛋白的活性。 整合膜蛋白在結合到脂質雙層中時發揮作用，并且它們在環形脂質殼的幫助下緊緊地固定在脂質雙層上。 由于雙層定義了細胞及其隔室的邊界，因此這些膜蛋白參與了許多細胞內和細胞間的信號傳導過程。 某些種類的膜蛋白參與將兩個雙層融合在一起的過程。 這種融合允許連接兩個不同的結構，如精子使卵子受精或病毒進入細胞期間的頂體反應。 由于脂質雙層在傳統顯微鏡下很脆弱且不可見，因此研究它們是一項挑戰。 雙層實驗通常需要電子顯微鏡和原子力顯微鏡等先進技術。

當磷脂暴露在水中時，它們會自組裝成兩層薄片，疏水尾部指向薄片的中心。 這種排列會產生兩個“小葉”，每個“小葉”都是一個分子層。 該雙層的中心幾乎不含水，并且不包括溶解在水中的糖或鹽等分子。 組裝過程由疏水分子之間的相互作用（也稱為疏水效應）驅動。 疏水分子之間相互作用的增加（導致疏水區域聚集）允許水分子更自由地相互結合，增加系統的熵。 這個復雜的過程包括非共價相互作用，例如范德華力、靜電和氫鍵。

與其橫向尺寸相比，脂質雙層非常薄。 如果將典型的哺乳動物細胞（直徑約 10 微米）放大到西瓜大小（約 1 英尺/30 厘米），則構成質膜的脂質雙層將與一張辦公紙一樣厚。 盡管只有幾納米厚，但雙層結構在其橫截面上由幾個不同的化學區域組成。 在過去的幾十年里，這些區域及其與周圍水的相互作用已經通過 X 射線反射計、中子散射和核磁共振技術進行了表征。

雙層兩側的xxx個區域是親水頭基。 這部分膜完全水合，厚度通常約為 0.8-0.9 納米。 在磷脂雙層中，磷酸基團位于該水合區域內，疏水核心外約 0.5 nm。 在某些情況下，水合區域可以延伸得更遠。