Al igual que la membrana celular, las membranas de algunos orgánulos contienen proteínas de transporte, o permeasas, que permiten la comunicación química entre orgánulos. Las permeasas en la membrana lisosomal, por ejemplo, permiten que los aminoácidos generados dentro del lisosoma crucen al citoplasma, donde se pueden usar para la síntesis de nuevas proteínas. La comunicación entre orgánulos también se logra mediante los procesos de endocitosis y exocitosis de la membrana, que son esencialmente los mismos que en la membrana celular (véase el Transporte anterior a través de la membrana). Por otro lado, los procesos biosintéticos y degradativos que tienen lugar en diferentes orgánulos pueden requerir condiciones muy diferentes de las de otros orgánulos o del citosol (la parte fluida de la célula que rodea a los orgánulos). Las membranas internas mantienen estas diferentes condiciones aislándolas unas de otras. Por ejemplo, el espacio interno de los lisosomas es mucho más ácido que el del citosol-pH 5 en comparación con pH 7-y es mantenido por proteínas de transporte de bombeo de protones específicas en la membrana del lisosoma.

Otra función de los orgánulos es evitar que las reacciones enzimáticas competidoras interfieran entre sí. Por ejemplo, las proteínas esenciales se sintetizan en el retículo endoplásmico rugoso y en el citosol, mientras que las proteínas no deseadas se descomponen en los lisosomas y también, en cierta medida, en el citosol. De manera similar, los ácidos grasos se producen en el citosol y luego se descomponen en las mitocondrias para la síntesis de ATP o se degradan en los peroxisomas con la generación concomitante de calor. Estos procesos deben mantenerse aislados. Las membranas de orgánulos también evitan que los subproductos o enzimas potencialmente letales ataquen moléculas sensibles en otras regiones de la célula al secuestrar dichas actividades degradativas en sus respectivos compartimentos delimitados por la membrana.

Las membranas internas de las células eucariotas difieren estructural y químicamente de la membrana celular externa. Al igual que la membrana externa, están construidas de una bicapa de fosfolípidos en la que están incrustadas, o unidas, proteínas de membrana específicas (véase la composición química y la estructura de la membrana anteriores). Los tres lípidos principales que forman la membrana externa-fosfolípidos, colesterol y glicolípidos—también se encuentran en las membranas internas, pero en diferentes concentraciones. El fosfolípido es el lípido primario que forma todas las membranas celulares. El colesterol, que contribuye a la fluidez y estabilidad de todas las membranas, se encuentra en las membranas internas en aproximadamente el 25 por ciento de la concentración en la membrana externa. Los glicolípidos se encuentran solo como componentes traza de las membranas internas, mientras que constituyen aproximadamente el 5 por ciento de los lípidos de la membrana externa.