Una doble membrana es una estructura de membrana que consta de dos bicapas de fosfolípidos dispuestas espalda con espalda. Las dobles membranas definen compartimentos celulares conocidos como orgánulos. El espacio delimitado por las dos membranas constituye la luz del orgánulo, que es distinta del citosol.

Una de las estructuras de doble membrana más prominentes en las células eucariotas es la envoltura nuclear, que encierra el material genético de la célula. Otros orgánulos bien conocidos que poseen membranas dobles incluyen las mitocondrias y los cloroplastos. En las mitocondrias, la estructura de doble membrana sirve para generar un gradiente de protones para la producción de ATP mediante la fosforilación oxidativa. En los cloroplastos, la doble membrana participa en la captura y conversión de la luz solar en energía química durante la fotosíntesis.

Las membranas dobles desempeñan funciones esenciales en la compartimentación celular, el transporte de moléculas y el mantenimiento de entornos químicos específicos dentro de los orgánulos, lo que las convierte en componentes críticos de la estructura y función de las células eucariotas.