Het endomembraansysteem (de membranen binnen een cel), is de verzameling van (door membranen omgeven) compartimenten of organellen binnen een eukaryote cel. Het geheel (de cel) wordt begrensd door een uit een fosfolipide dubbellaag gevormd celmembraan. De opdeling van de eukaryote cel in verschillende compartimenten zorgt voor een structurele en functionele scheiding van de verschillende biochemische reactiepaden en processen.

De intracellulaire, rondom de verschillende organellen gelegen membranen bevatten kanalen, transporteiwitten en 'pompen' om de metabolieten functioneel te verdelen tussen de verschillende celcomponenten. Daarnaast bevatten ze perifere en integrale eiwitten die verscheidene functies vervullen, onder andere in het celmetabolisme.

Prokaryoten missen een endomembraansysteem en hebben dan ook geen organellen.

Het plasmamembraan of plasmalemma scheidt de binnenzijde van de cel, het cytosol of cytoplasma, af van het extracellulaire milieu. Het plasmalemma bestaat uit een enkele fosfolipide dubbellaag, en bevat onder meer signaalmoleculen en receptoren.

De nucleus of celkern, het sturende organel van de cel, wordt begrensd door een dubbele membraan, die sterk gereguleerde nucleaire pori bevat om onder meer RNA (mRNA) vanuit de celkern te exporteren naar het cytosol, en eiwitten te importeren naar het kernlumen. De celkern zelf bevat het DNA, naast verschillende klassen van 'structurele' (opbouwende) eiwitten, die de integriteit en schikking van het genetisch materiaal binnen de kern verzekeren.

Het vacuoom is de door membranen omgeven ruimte, een compartiment van bovengeschikt niveau, waarbinnen de overige organellen door continue deling en versmelting van hun membraanoppervlakken in nauw onderling contact staan. Het vacuoom omvat het endoplasmatisch reticulum, het golgiapparaat, de lysosomen, de vacuoles en vesikels.

Het endoplasmatisch reticulum (ER) wordt begrensd door een enkele membraan, en sluit op sommige plaatsen aan op de kern. Het zorgt voor de synthese, modificatie en transport van eiwitten, vetten en suikers.

Het golgiapparaat of golgicomplex zorgt voor verpakking en transport van eiwitten, suikers en vetten binnen de cel of naar het extracellulaire milieu.

Lysosomen worden begrensd door één membraan, zorgen voor de afbraak van celcomponenten (intracellulair verteringsapparaat), en bevatten dus verscheidene afbraakenzymes.

Vacuolen hebben een opslagfunctie binnen de cel, en nemen vooral bij planten een groot deel van het celvolume in. Ze beschermen de cel eveneens tegen schommelingen in pH en concentraties van opgeloste stoffen.

Mitochondria en plastiden (zoals bladgroenkorrels) zijn volgens de endosymbiontentheorie in de loop van de evolutie verworven, van prokaryoten afstammende, organellen. De oorspronkelijke membranen van deze prokaryoten hebben een andere samenstelling dan die van de eukaryote gastheercellen.

Mitochondria zorgen voor het metabolisme en vorming van metabolische intermediairen in de Krebscyclus. Ze zorgen eveneens voor de celademhaling en vorming van ATP. Ze worden begrensd door twee membranen.

Chloroplasten (bladgroenkorrel) staan bij planten en verscheidene protozoa in voor de fotosynthese, en vorming van metabole intermediairen. Ze bestaan uit 2 tot 4 afzonderlijke membranen.

Mitochondria en chloroplasten worden niet tot het endomembraansysteem gerekend.