Comme la membrane cellulaire, les membranes de certains organites contiennent des protéines de transport, ou perméases, qui permettent la communication chimique entre les organites. Les perméases de la membrane lysosomale, par exemple, permettent aux acides aminés générés à l’intérieur du lysosome de pénétrer dans le cytoplasme, où ils peuvent être utilisés pour la synthèse de nouvelles protéines. La communication entre les organites est également réalisée par les processus de bourgeonnement membranaire d’endocytose et d’exocytose, qui sont essentiellement les mêmes que dans la membrane cellulaire (voir ci-dessus Transport à travers la membrane). D’autre part, les processus de biosynthèse et de dégradation se déroulant dans différents organites peuvent nécessiter des conditions très différentes de celles des autres organites ou du cytosol (la partie fluide de la cellule entourant les organites). Les membranes internes maintiennent ces différentes conditions en les isolant les unes des autres. Par exemple, l’espace interne des lysosomes est beaucoup plus acide que celui du cytosol — pH 5 par opposition à pH 7 — et est maintenu par des protéines de transport spécifiques par pompage de protons dans la membrane du lysosome.

Une autre fonction des organites est d’empêcher les réactions enzymatiques concurrentes d’interférer les unes avec les autres. Par exemple, les protéines essentielles sont synthétisées sur le réticulum endoplasmique rugueux et dans le cytosol, tandis que les protéines indésirables sont décomposées dans les lysosomes et aussi, dans une certaine mesure, dans le cytosol. De même, les acides gras sont fabriqués dans le cytosol puis décomposés dans les mitochondries pour la synthèse de l’ATP ou dégradés dans les peroxysomes avec génération concomitante de chaleur. Ces processus doivent être isolés. Les membranes organites empêchent également des sous-produits ou des enzymes potentiellement létaux d’attaquer des molécules sensibles dans d’autres régions de la cellule en séquestrant ces activités de dégradation dans leurs compartiments membranaires respectifs.

Les membranes internes des cellules eucaryotes diffèrent à la fois structurellement et chimiquement de la membrane cellulaire externe. Comme la membrane externe, elles sont constituées d’une bicouche phospholipidique dans laquelle sont incorporées, ou liées, des protéines membranaires spécifiques (voir ci-dessus Composition chimique et structure de la membrane). Les trois principaux lipides formant la membrane externe — les phospholipides, le cholestérol et les glycolipides — se trouvent également dans les membranes internes, mais à des concentrations différentes. Le phospholipide est le lipide primaire formant toutes les membranes cellulaires. Le cholestérol, qui contribue à la fluidité et à la stabilité de toutes les membranes, se trouve dans les membranes internes à environ 25% de la concentration dans la membrane externe. Les glycolipides ne se trouvent que sous forme de composants traces des membranes internes, alors qu’ils constituent environ 5% des lipides de la membrane externe.