Uma membrana dupla é uma estrutura de membrana que consiste em duas bicamadas fosfolipídicas dispostas costas com costas. Membranas duplas definem compartimentos celulares conhecidos como organelas. O espaço delimitado pelas duas membranas constitui o lúmen da organela, distinto do citosol.

Uma das estruturas de membrana dupla mais proeminentes nas células eucarióticas é o envelope nuclear, que envolve o material genético da célula. Outras organelas bem conhecidas que possuem membranas duplas incluem mitocôndrias e cloroplastos. Nas mitocôndrias, a estrutura de membrana dupla serve para gerar um gradiente de prótons para a produção de ATP através da fosforilação oxidativa. Nos cloroplastos, a membrana dupla está envolvida na captura e conversão da luz solar em energia química durante a fotossíntese.

As membranas duplas desempenham papéis essenciais na compartimentalização celular, no transporte de moléculas e na manutenção de ambientes químicos específicos dentro das organelas, tornando-as componentes críticos da estrutura e função das células eucarióticas.