內膜系統包括內質網、線粒體、葉綠體、高爾基體等結構

從形態上說，線粒體和葉綠體是雙層膜，其起源一般認為是內共生，外膜和內膜上有不同的酶。比如線粒體的內膜通透性很差，上面有大量質子泵和細胞色素、輔酶Q等，是將有氧呼吸過程產生的大量能量透過氧化磷酸化而偶聯到ATP上，而葉綠體也同樣是在內膜上，將收集的光能用來裂解水，再用得到的質子梯度將能量固定，失去膜結構，這兩個細胞器的功能就無從發揮。

而內質網和高爾基體是單層膜，內質網分為粗麵和滑面，通常認為粗麵內質網因為附著核糖體，是製造蛋白的主要位置，事實上核糖體之所以要附著在內質網上，是因為合成的蛋白是膜蛋白，需要根據穿膜序列在內質網上固定並修飾，修飾的主要場所就是內質網和高爾基體，包括糖基化、甲基化等等。而高爾基體也負責合成蛋白質的轉運，蛋白質上有各種定位序列，就是在高爾基體裡被分選到不同的膜上小體，從而轉運到細胞的不同位置，而細胞膜上的蛋白，也是在這裡形成包被小體，運送到膜上的。

這裡需要提到溶酶體，溶酶體也是在高爾基體上分泌出來逐漸成熟的，一般是和細胞內吞的小泡結合，很多病毒就是有逃逸機制，在內吞小泡和溶酶體結合之前，識別了內吞小泡的pH值下降，就先逃逸了。而溶酶體如果裂解了，細胞也會遭殃，這是細胞凋亡的一個主要步驟。