細胞膜作為一個屏障，使細胞內液成分不*相同于細胞外液，并保持相對穩定。但是，細胞在進行新陳代謝的過程中，需要不斷選擇性地攝入和排出多種多樣的物質，這些物質的交換是通過細胞膜有選擇性地進行的。物質通過細胞膜的運輸途徑大體是：脂溶性的小分子物質，可通過物理擴散透過細胞膜；水溶性的小分子物質或離子，需要借助相關蛋白質的介導才能完成跨膜運輸；大分子物質或顆粒性物質，則通過細胞膜的整裝轉運進出細胞。

現將幾種常見的物質跨膜運輸方式分述如下：
(一)被動運輸
在物質跨膜運輸過程中，物質分子順濃度梯度即從高濃度一側運輸到低濃度一側，稱為被動運輸。被動運輸時，物質運輸所需的能量來自高濃度所含的勢能。被動運輸包括簡單擴散和協助擴散兩種。
1.簡單擴散
細胞膜允許一些疏水分子和小而不帶電的極性分子，以簡單擴散方式通過細胞膜，溶質分子從高濃度一側運輸到低濃度一側的物理過程，稱為簡單擴散。這種方式就像在無風的日子，煙囪冒出來的煙會向四周擴散一樣。決定簡單擴散的主要因素是細胞內外濃度梯度，一般而言，氣體如O2、CO2、N2，以及小而不帶電的極性分子如尿素等，能以簡單擴散方式從細胞膜高濃度一側擴散到低濃度一側。
2.協助擴散
離子和一些比較大的分子，不能自由地通過細胞膜，需要通過鑲嵌在細胞膜上的一些特殊的蛋白質協助它們順濃度梯度進行。這叫做協助擴散，如，葡萄糖進入紅細胞就是這種方式。
鑲嵌在細胞膜上的協助物質進出細胞的特殊蛋白質稱為載體蛋白。載體蛋白具有以下特點：
(1)專一性：載體蛋白具有與底物(溶質分子)特異性結合的位點，對底物具有高度選擇性，每種載體蛋白能與特定的溶質分子結合，所以每種載體蛋白通常只轉運一種類型的分子。
(2)飽和性：由于細胞膜中載體蛋白的數量和轉運速率有限，當被轉運的底物濃度增加到一定程度時，載體蛋白都參與了底物的轉運，這樣底物的跨膜運輸速度便達到大值，不再隨底物濃度的增加而增大，這種現象稱為載體蛋白的飽和性。
(二)主動運輸
主動運輸是指細胞膜通過本身的某種耗能過程，在特殊蛋白質的幫助下將物質逆濃度梯度跨膜運輸的過程。溶液中的分子由低濃度一側向高濃度一側運輸，就像舉起重物或推物體沿斜坡上移一樣，必須由外部供給能量。在細胞膜的主動運輸中，這種能量只能由細胞代謝供給，這就是主動的含義。
主動運輸普遍存在于動植物和微生物細胞中，保證了活細胞能夠按照生命活動的需要，主動選擇和吸收所需要的營養物質，排出代謝廢物和對細胞有害的物質。例如，水生植物麗藻的細胞液中K+濃度比它們生活的池水高1065倍，但是它還能從池水中吸收K+；再如，人紅細胞中Na+的濃度只有血漿的1/6，它依舊能排出Na+。

(三)胞吞，胞吐
載體蛋白雖然能夠幫助許多離子和小的分子通過細胞膜，但是，對于一些大分子及一些顆粒性物質的跨膜運輸卻是無能為力的，如蛋白質、多核苷酸、多糖等。可是大部分細胞能夠攝入和排出特定的大分子與顆粒性物質，這些大分子是怎樣進出細胞的呢?
當細胞攝取大分子或顆粒性物質時，首先顆粒性物質附著在細胞膜表面，這部分細胞膜內陷形成小囊，包圍著大分子，然后小囊從細胞膜上分離下來，形成囊泡，進入細胞內部，這種現象叫胞吞。
細胞需要外排的大分子或顆粒性物質，先在細胞內形成囊泡，然后囊泡移動到細胞膜處，與細胞膜融合，將大分子排出細胞，這種現象叫胞吐。如豚鼠胰腺腺泡細胞核糖體合成分泌蛋白，通過內質網加工形成囊泡運輸到高爾基體，高爾基體包裝形成囊泡，然后囊泡移動到細胞膜處，與細胞膜融合，將分泌蛋白排出細胞。