الخلية هي أصغر وحدة للحياة. معظم الخلايا صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة. لذلك، يجب على العلماء استخدام المجاهر لدراسة الخلايا. توفر المجاهر الإلكترونية تكبيرًا أعلى ودقة أعلى وتفاصيل أكثر من المجاهر الضوئية. تنص نظرية الخلية الموحدة على أن جميع الكائنات الحية تتكون من خلية واحدة أو أكثر، وأن الخلية هي الوحدة الأساسية للحياة، وأن الخلايا الجديدة تنشأ من خلايا موجودة.

بدائيات النواة هي كائنات حية وحيدة الخلية في الغالب من نطاقي البكتيريا والعتائق. جميع بدائيات النواة لديها أغشية بلازمية وسيتوبلازم وريبوسومات وجدار خلوي وDNA، وتفتقر إلى العضيات المحاطة بغشاء. العديد منها يحتوي أيضًا على محافظ عديدة السكاريد. يتراوح قطر الخلايا بدائية النواة من 0.1 إلى 5.0 ميكرومتر.

مثل الخلية بدائية النواة، تحتوي الخلية حقيقية النواة على غشاء بلازمي وسيتوبلازم وريبوسومات، ولكن الخلية حقيقية النواة عادة ما تكون أكبر من الخلية بدائية النواة، ولها نواة حقيقية (مما يعني أن حمضها النووي DNA محاط بغشاء)، ولها عضيات أخرى محاطة بغشاء تسمح بتقسيم الوظائف. تميل الخلايا حقيقية النواة إلى أن تكون أكبر من الخلايا بدائية النواة بـ 10 إلى 100 مرة.

مثل الخلية بدائية النواة، تحتوي الخلية حقيقية النواة على غشاء بلازمي وسيتوبلازم وريبوسومات، ولكن الخلية حقيقية النواة عادة ما تكون أكبر من الخلية بدائية النواة، ولها نواة حقيقية (مما يعني أن حمضها النووي DNA محاط بغشاء)، ولها عضيات أخرى محاطة بغشاء تسمح بتقسيم الوظائف. الغشاء البلازمي هو طبقة ثنائية من الفوسفوليبيدات مغروسة بالبروتينات. النُّوَيّة داخل النواة هي موقع تجميع الريبوسومات. توجد الريبوسومات في السيتوبلازم أو تكون ملتصقة بالجانب السيتوبلازمي للغشاء البلازمي أو الشبكة الإندوبلازمية. وهي تقوم بتخليق البروتين. تقوم الميتوكوندريا بالتنفس الخلوي وتنتج ATP. تقوم الجسيمات البيروكسيدية بتكسير الأحماض الدهنية والأحماض الأمينية وبعض السموم. الحويصلات والفجوات هي حجرات للتخزين والنقل. في الخلايا النباتية، تساعد الفجوات أيضًا في تكسير الجزيئات الضخمة.

تحتوي الخلايا الحيوانية أيضًا على جسيم مركزي وجسيمات حالة. يحتوي الجسيم المركزي على جسمين، وهما الجسيمات المركزية، ولهما دور غير معروف في انقسام الخلية. الجسيمات الحالة هي العضيات الهضمية للخلايا الحيوانية.

تحتوي الخلايا النباتية على جدار خلوي وبلاستيدات خضراء وفجوة مركزية. يحمي الجدار الخلوي النباتي، الذي يتكون بشكل أساسي من السليولوز، الخلية ويوفر الدعم الهيكلي ويعطي الخلية شكلها. يحدث التمثيل الضوئي في البلاستيدات الخضراء. تتمدد الفجوة المركزية، مما يؤدي إلى تضخم الخلية دون الحاجة إلى إنتاج المزيد من السيتوبلازم.

يشمل الجهاز الغشائي الداخلي الغلاف النووي، والشبكة الإندوبلازمية، وجهاز غولجي، والجسيمات الحالة، والحويصلات، بالإضافة إلى الغشاء البلازمي. تعمل هذه المكونات الخلوية معًا لتعديل وتعبئة ووسم ونقل دهون وبروتينات الغشاء.

يحتوي الهيكل الخلوي على ثلاثة أنواع مختلفة من العناصر البروتينية. توفر الخيوط الدقيقة الصلابة والشكل للخلية، وتسهل الحركات الخلوية. تتحمل الخيوط المتوسطة الشد وتثبت النواة والعضيات الأخرى في مكانها. تساعد الأنيبيبات الدقيقة الخلية على مقاومة الانضغاط، وتعمل كمسارات للبروتينات الحركية التي تنقل الحويصلات عبر الخلية، وتسحب الصبغيات المتضاعفة إلى الأطراف المتقابلة للخلية المنقسمة. كما أنها العناصر الهيكلية للجسيمات المركزية والأسواط والأهداب.

تتواصل الخلايا الحيوانية من خلال مصفوفاتها خارج الخلوية وتتصل ببعضها البعض بواسطة الوصلات المحكمة والجسيمات الرابطة والوصلات الفجوية. تتصل الخلايا النباتية وتتواصل مع بعضها البعض بواسطة الروابط البلازمية.

يُشار إلى الفهم الحديث للغشاء البلازمي بنموذج الفسيفساء السائلة. يتكون الغشاء البلازمي من طبقة ثنائية من الفوسفوليبيدات، حيث تكون ذيول الأحماض الدهنية الكارهة للماء متلامسة مع بعضها البعض. سطح الغشاء مرصع بالبروتينات، بعضها يمتد عبر الغشاء. تعمل بعض هذه البروتينات على نقل المواد إلى داخل الخلية أو خارجها. ترتبط الكربوهيدرات ببعض البروتينات والدهون على السطح الخارجي للغشاء. تشكل هذه المركبات التي تعمل على تعريف الخلية بالخلايا الأخرى. تعود الطبيعة السائلة للغشاء إلى تكوين ذيول الأحماض الدهنية، ووجود الكوليسترول المدمج في الغشاء (في الخلايا الحيوانية)، والطبيعة الفسيفسائية للبروتينات ومركبات البروتين والكربوهيدرات، والتي ليست ثابتة بقوة في مكانها. تحيط الأغشية البلازمية بحدود الخلايا، ولكن بدلاً من أن تكون كيسًا ثابتًا، فهي ديناميكية ومتغيرة باستمرار.

تحرك أشكال النقل السلبي، الانتشار والتناضح، المواد ذات الوزن الجزيئي الصغير. تنتشر المواد من مناطق التركيز العالي إلى مناطق التركيز المنخفض، وتستمر هذه العملية حتى تتوزع المادة بالتساوي في النظام. في المحاليل التي تحتوي على أكثر من مادة واحدة، ينتشر كل نوع من الجزيئات وفقًا لتدرج تركيزه الخاص. يمكن أن تؤثر العديد من العوامل على معدل الانتشار، بما في ذلك تدرج التركيز، وأحجام الجسيمات المنتشرة، ودرجة حرارة النظام.

في الأنظمة الحية، يتم توسط انتشار المواد داخل وخارج الخلايا بواسطة الغشاء البلازمي. تنتشر بعض المواد بسهولة عبر الغشاء، ولكن البعض الآخر يعوق، ولا يمكن مرورها إلا بواسطة القنوات والنواقل البروتينية. تحدث كيمياء الكائنات الحية في المحاليل المائية، وموازنة تراكيز تلك المحاليل هي مشكلة مستمرة. في الأنظمة الحية، سيكون انتشار بعض المواد بطيئًا أو صعبًا بدون بروتينات الغشاء.

يشمل التدرج المشترك الذي يؤثر على الأيون تدرج تركيزه وتدرجه الكهربائي. تحتاج الخلايا الحية إلى مواد معينة بتراكيز أكبر مما هي موجودة في الفضاء خارج الخلوي. يتطلب نقل المواد عكس تدرجاتها الكهروكيميائية طاقة من الخلية. يستخدم النقل النشط الطاقة المخزنة في ATP لتغذية النقل. يستخدم النقل النشط للمواد ذات الحجم الجزيئي الصغير بروتينات مدمجة في غشاء الخلية لنقل المادة — هذه البروتينات تشبه المضخات. بعض المضخات، التي تقوم بالنقل النشط الأولي، ترتبط مباشرة بـ ATP لدفع عملها. في النقل الثانوي، يمكن استخدام الطاقة من النقل الأولي لنقل مادة أخرى إلى الخلية وعكس تدرج تركيزها.

تتطلب طرق الإدخال الخلوي الاستخدام المباشر لـ ATP لتغذية نقل الجسيمات الكبيرة مثل الجزيئات الضخمة؛ يمكن للخلايا الأخرى أن تبتلع أجزاء من الخلايا أو خلايا كاملة في عملية تسمى البلعمة. في البلعمة، ينغمد جزء من الغشاء ويتدفق حول الجسيم، ثم ينفصل في النهاية ويترك الجسيم محاطًا بالكامل بغلاف من الغشاء البلازمي. يتم تكسير الفجوات بواسطة الخلية، وتستخدم الجسيمات كغذاء أو يتم التخلص منها بطريقة أخرى. الالتقام الشرابي هو عملية مماثلة على نطاق أصغر. تطرد الخلية الفضلات والجسيمات الأخرى من خلال العملية العكسية، وهي الإخراج الخلوي. يتم نقل الفضلات إلى خارج الخلية، حيث تدفع حويصلة غشائية إلى الغشاء البلازمي، مما يسمح للحويصلة بالاندماج مع الغشاء ودمج نفسها في بنية الغشاء، مطلقة محتوياتها إلى خارج الخلية.