La membrane cellulaire constitue une barrière autour de la cellule, séparant ses composants internes de l'environnement extracellulaire. Elle est composée d'une bicouche phospholipidique, avec des « queues » lipidiques internes hydrophobes et des « têtes » phosphatées externes hydrophiles. Diverses protéines membranaires sont dispersées dans toute la bicouche, à la fois insérées à l'intérieur et attachées périphériquement. La membrane cellulaire est sélectivement perméable, ne permettant qu'à un nombre limité de substances de diffuser à travers sa bicouche lipidique. Toutes les substances qui traversent la membrane le font en utilisant des processus de transport passif (ne nécessitant pas d'énergie) ou actif (nécessitant de l'énergie). Lors du transport passif, les substances se déplacent par diffusion simple ou par diffusion facilitée à travers la membrane, suivant leur gradient de concentration. L'eau traverse la membrane par un processus de diffusion appelé osmose. Lors du transport actif, de l'énergie est dépensée pour faciliter le mouvement des substances à travers la membrane dans une direction opposée à leur gradient de concentration. Le transport actif peut avoir lieu à l'aide de pompes protéiques ou par l'utilisation de vésicules.

L'environnement interne d'une cellule vivante est constitué d'une substance fluide, gélatineuse appelée cytosol, qui se compose principalement d'eau, mais contient également divers nutriments dissous et d'autres molécules. La cellule contient un ensemble d'organites cellulaires, chacun remplissant une fonction unique et contribuant à maintenir la santé et l'activité de la cellule. Le cytosol et les organites composent ensemble le cytoplasme de la cellule. La plupart des organites sont entourés d'une membrane lipidique similaire à la membrane cellulaire de la cellule. Le réticulum endoplasmique (RE), l'appareil de Golgi et les lysosomes partagent une connectivité fonctionnelle et sont collectivement appelés le système endomembranaire. Il existe deux types de RE : lisse et rugueux. Alors que le RE lisse remplit de nombreuses fonctions, y compris la synthèse des lipides et le stockage des ions, le RE rugueux est principalement responsable de la synthèse des protéines en utilisant ses ribosomes associés. Le RE rugueux envoie les protéines nouvellement fabriquées à l'appareil de Golgi où elles sont modifiées et emballées pour être livrées à divers endroits à l'intérieur ou à l'extérieur de la cellule. Certains de ces produits protéiques sont des enzymes destinées à décomposer les matériaux indésirables et sont emballés sous forme de lysosomes pour être utilisés à l'intérieur de la cellule.

Les cellules contiennent également des mitochondries et des peroxysomes, qui sont les organites responsables respectivement de la production de l'approvisionnement énergétique de la cellule et de la détoxification de certaines substances chimiques. Les réactions biochimiques au sein des mitochondries transforment les molécules porteuses d'énergie en la forme utilisable d'énergie cellulaire connue sous le nom d'ATP. Les peroxysomes contiennent des enzymes qui transforment les substances nocives telles que les radicaux libres en oxygène et en eau. Les cellules contiennent également un « squelette » miniaturisé de filaments protéiques qui s'étend à travers leur intérieur. Trois types différents de filaments composent ce cytosquelette (par ordre d'épaisseur croissante) : les microfilaments, les filaments intermédiaires et les microtubules. Chaque composant cytosquelettique remplit des fonctions uniques et fournit un cadre de soutien à la cellule.

Le noyau est le centre de commande de la cellule, contenant les instructions génétiques pour toutes les substances qu'une cellule fabriquera. Le noyau est enfermé dans une membrane composée de deux bicouches lipidiques interconnectées, côte à côte. Cette enveloppe nucléaire est parsemée de pores tapissés de protéines qui permettent le trafic de substances à l'intérieur et à l'extérieur du noyau. Le noyau contient un ou plusieurs nucléoles, qui servent de sites pour la synthèse des ribosomes. Le noyau abrite le matériel génétique de la cellule : l'ADN. L'ADN se trouve normalement sous forme d'une structure lâche appelée chromatine à l'intérieur du noyau, où il est enroulé et associé à une variété de protéines histones. Lorsqu'une cellule est sur le point de se diviser, la chromatine s'enroule étroitement et se condense pour former des chromosomes.

Il y a un ensemble de cellules qui se divisent constamment dans votre corps. Le résultat est la création de milliards de nouvelles cellules chaque jour. Avant qu'une cellule ne soit prête à se diviser, elle doit répliquer son ADN afin que chaque nouvelle cellule fille reçoive une copie exacte du génome de l'organisme. Une variété d'enzymes sont sollicitées lors de la réplication de l'ADN. Ces enzymes déroulent la molécule d'ADN, séparent les deux brins et aident à la construction de brins complémentaires le long de chaque brin parental. Les brins d'ADN originaux servent de modèles à partir desquels la séquence de nucléotides des nouveaux brins est déterminée et synthétisée. Lorsque la réplication est terminée, deux molécules d'ADN identiques existent. Chacune contient un brin original et un brin complémentaire nouvellement synthétisé.

L'ADN stocke les informations nécessaires pour instruire la cellule à remplir toutes ses fonctions. Les cellules utilisent le code génétique stocké dans l'ADN pour construire des protéines, qui déterminent finalement la structure et la fonction de la cellule. Ce code génétique réside dans la séquence particulière de nucléotides qui composent chaque gène le long de la molécule d'ADN. Pour « lire » ce code, la cellule doit effectuer deux étapes séquentielles. Dans la première étape, la transcription, le code ADN est converti en un code ARN. Une molécule d'ARN messager complémentaire à un gène spécifique est synthétisée dans un processus similaire à la réplication de l'ADN. La molécule d'ARNm fournit le code pour synthétiser une protéine. Dans le processus de traduction, l'ARNm s'attache à un ribosome. Ensuite, les molécules d'ARNt acheminent les acides aminés appropriés au ribosome, un par un, codés par des codons triplets séquentiels sur l'ARNm, jusqu'à ce que la protéine soit entièrement synthétisée. Une fois terminée, l'ARNm se détache du ribosome et la protéine est libérée. Typiquement, plusieurs ribosomes s'attachent à une seule molécule d'ARNm à la fois, de sorte que plusieurs protéines peuvent être fabriquées à partir de l'ARNm simultanément.

La vie d'une cellule se compose d'étapes qui constituent le cycle cellulaire. Après la naissance d'une cellule, elle passe par une interphase avant d'être prête à se répliquer et à produire des cellules filles. Cette interphase comprend deux phases de latence (G₁ et G₂), ainsi qu'une phase S, au cours de laquelle son ADN est répliqué en préparation de la division cellulaire. Le cycle cellulaire est sous une régulation précise par des messagers chimiques à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule qui fournissent des signaux « stop » et « go » pour le passage d'une phase à la suivante. Les défaillances de ces signaux peuvent entraîner des cellules qui continuent à se diviser de manière incontrôlable, ce qui peut conduire au cancer.

Une fois qu'une cellule a terminé l'interphase et est prête pour la division cellulaire, elle passe par quatre étapes distinctes de mitose (prophase, métaphase, anaphase et télophase). La télophase est suivie par la division du cytoplasme (cytokinèse), qui génère deux cellules filles. Ce processus a lieu dans toutes les cellules du corps qui se divisent normalement, à l'exception des cellules germinales qui produisent les ovules et les spermatozoïdes.

L'un des principaux domaines de recherche en biologie est celui de la manière dont les cellules se spécialisent pour assumer leurs structures et fonctions uniques, puisque toutes les cellules proviennent essentiellement d'un seul ovule fécondé. La différenciation cellulaire est le processus par lequel les cellules se spécialisent à mesure que le corps se développe. Une cellule souche est une cellule non spécialisée qui peut se diviser sans limite selon les besoins et peut, dans des conditions spécifiques, se différencier en cellules spécialisées. Les cellules souches sont divisées en plusieurs catégories selon leur potentiel de différenciation. Alors que toutes les cellules somatiques contiennent exactement le même génome, différents types de cellules n'expriment que certains de ces gènes à un moment donné. Ces différences d'expression génique dictent finalement les caractéristiques morphologiques et physiologiques uniques d'une cellule. Le mécanisme principal qui détermine quels gènes seront exprimés et lesquels ne le seront pas est l'utilisation de différentes protéines facteurs de transcription, qui se lient à l'ADN et favorisent ou entravent la transcription de différents gènes. Grâce à l'action de ces facteurs de transcription, les cellules se spécialisent en l'un des centaines de types de cellules différents du corps humain.