从生理学的角度来说，红细胞膜是将红细胞内容(血红蛋白)与周围环境(血浆)分隔开的结构。红细胞内各种离子、代谢物质的分子浓度与细胞外血浆中的成分和浓度有极大的差别，红细胞膜处于两者之间，形成阻隔，使红细胞能保持其正常的化学成分，但同时它又起着沟通分子内外移动，调节细胞内外钠、钾、钙、氧化谷胱甘肽等的移动和葡萄糖的输送。此外，膜蛋白及红细胞两面凹圆盘形的特殊构型赋予红细胞以高度的变形性能，使其能通过直径比其小得多的毛细血管或脾窦，而不致受到机械性的损伤。细胞膜功能的衰竭，意味着溶血和细胞的死亡。
关于红细胞膜的组织结构，一般以液体镶嵌模型学说来阐释。认为红细胞膜由许多排列整齐的磷脂分子组成双分子层，中间嵌入未酯化的胆固醇及糖脂分子。磷脂的“头”部(羧基端) 一层面向胞浆，另一层面向血浆。磷脂含酰基的长“尾”部(氨基端)交织成网状，成为膜的亲脂质而疏水的核心。在正常温度下，这一疏水核心处于一种液晶状态。这有利于红细胞极重要的生理功能，即柔韧性和变形性能。许多膜蛋白和脂蛋白不规则地嵌入由磷脂组成的双分子层，有的只嵌入内层或外层，有的贯穿内外两层。这样的构形使脂质和蛋白质在膜的平面中能较自由地向两侧移动，而蛋白质穿过双层的移动则受到较大限制，并对双层脂质起固定作用。膜外面的磷脂主要都是磷脂酰胆碱和神经鞘磷脂。膜内面的磷脂为磷脂酰氨基乙醇和磷胆酰丝氨酸。在双分子层外面还有一层起源于膜内、伸向外面树枝样结构的糖蛋白，散置于脂质分子之间。ABO血型抗原即以糖蛋白的形式存在。Rh抗原也露在红细胞膜外面，每个红细胞上约1万个。约17%的膜蛋白呈螺旋形构型。外膜的最外面还可以吸附数量多少不一的白蛋白和免疫球蛋白G等血浆蛋白分子。
红细胞膜内层的表面有一层支架蛋白，组成网络样的结构，这对调节红细胞的变形性能极为重要。此支架的主要成分是收缩蛋白和肌动蛋白的短纤维。这两种蛋白与胞膜贴在一起。收缩蛋白的棒形分子主要以四聚体或更高的聚合体的形式存在，铺在膜的内面，形成格子状支架。这样使得红细胞膜的双脂层具有柔韧性和变形性能。如果收缩蛋白的二聚体比例增高，整个细胞支架的支持力便会减弱，以致红细胞的机械脆性增高，结果发生溶血。