Desde un punto de vista termodinámico, la asociación mas estable entre las moléculas de fosfolípidos en las membranas biológicas es la de una doble capa en la que las zonas polares quedan orientadas hacia el exterior y el interior de dicha bicapa, mientras que las colas hidrófobas ocupan la parte central.
Esta disposición permite el establecimiento de interacciones de tipo iónico entre las cabezas polares y el contenido acuoso del exterior y del interior de la célula, mientras que las interacciones hidrófobas están estabilizadas por enlaces de van der Waals que tienden a alejar al máximo las colas hidrófobas de las inmediaciones de los entornos acuosos.
Además de los fosfolípidos, las membranas celulares están constituidas por proteínas embebidas en la doble capa lipica. Como es lógico, el grado de penetración de estas proteínas en el entramado celular dependerá de su composición en aminoácidos. Así, las porciones proteicas ricas en aminoácidos de naturaleza apolar tenderán a ocupar la parte central de la membrana, mientras que las zonas mas ricas en aminoácidos de naturaleza polar tenderán a disponerse hacia las zonas correspondientes de las cabezas polares de la bicapa.