Aby mohl být substrát buňkou využitý, přechází přes buněčnou stěnu a cytoplazmatickou membránu. Buněčnou stěnou volně pronikají ionty a malé molekuly. Buněčná stěna, ale dokáže i zadržovat makromolekuly, které jsou větší než póry v buněčné stěně. Významnou vrstvou zodpovědnou za transport je cytoplazmatická membrána. Ta je polopropustná tedy semipermeabilní s velmi jemnými póry a umožňuje volný průchod nízkomolekulárním sloučeninám jako je voda, slabé kyseliny a zásady, monosacharidy nebo etanol. Lipidovou částí cytoplazmatické membrány procházejí sloučeniny rozpouštějící lipidy (dietyléter, aceton aj.) nebo lipofilní sloučeniny (mýdla, alkylsulfáty apod.). Vyšší koncentrace rozpouštědel lipidů a povrchově aktivních látek ovšem cytoplazmatickou membránu poškozují. Cytoplazmatická membrána také udržuje potřebné koncentrace látek uvnitř buňky a zajišťuje transport do vnějšího prostředí. Je osmotickým rozhraním.

Přenos látek přes cytoplazmatickou membránu je uskutečňován transportním mechanismem. Součástí je většinou přítomnost specifických bílkovin permeáz nebo translokáz. Které se tvoří jen v podmínkách syntézy bílkovin. Transport látek probíhá řadou procesů.

Pasivní transport tzv. difúze směřuje k vyrovnání koncentračního nebo elektrochemického rozdílu uvnitř a vně buňky. Nevyžaduje dodání energie. Difundující látka zůstává v původní formě. Podle způsobu přenosu rozlišujeme:

Prostá difúze se uplatňuje hlavně při průchodu některých iontů, některých jedů a látek cizích. Důležitá je velikost přenášených částic a jejich lipofilnost. Její rychlost je malá, závislá na koncentračním gradientu (spádu) a teplotě.

Je přenos, při kterém je látka z vnějšího prostředí transportovaná prostřednictvím substrátově specifického přenašeče bílkovinné nebo lipoproteinové povahy, který je přítomen v membráně. Díky specifickému vazebnému místu a prostorově měnitelné konfiguraci umožňuje vazbu nosiče s příslušným substrátem a tím přenos membránou. Po uvolnění vazby přechází nosič do původního stavu. Rychlost podobně jako u prosté difúze závisí na koncentračním gradientu a nevyžaduje dodání energie. Rychlost transportu je vyšší, závisí na koncentraci substrátu v prostředí a živiny se nemůžou hromadit proti koncentračnímu gradientu.

Většina živin a metabolitů proniká membránou prostřednictvím aktivního transportu. Aktivní transport umožňuje akumulaci látky v buňce a vyžaduje energii. Přenáší se tak anorganické ionty a organické látky jako oligosacharidy, aminokyseliny, vitaminy, puriny, pyrimidiny atd. Látky jsou přenášeny bez ohledu na koncentrační gradient. Transport zajistí specifické bílkoviny, které jsou v cytoplazmatické membráně v omezeném množství, po nasycení transportního systému nemůže dojít ke zvýšení rychlosti transportu. Bílkoviny transportující anorganické ionty se označují jako přenašeče (nosiče) zatímco přenos organických látek zajišťují permeázy nebo translokázy. Nosiče jsou konstitutivní, zatímco permeázy jsou často indukovatelné. Procesy aktivního transportu se liší. Primární aktivní transport, vyžaduje ionty Mg nebo Ca nebo fosfoenolpyruvát. Sekundární aktivní transport využívá energizovaného stavu cytoplazmatické membrány. Je umožněn spřažením s transportem další látky (především protonů), který probíhá na úkor energie poskytované přímo katabolickým procesem. Tento transport je jedním z nejekonomičtějších mechanismů. Jsou jím přenášeny např. oligosacharidy, aminokyseliny a purinové a pyrimidinové báze.

Transport monosacharidů, disacharidů a alkoholických cukrů cytoplazmatickou membránou je u některých bakterií spojen s fosforylací těchto cukrů. Systém bílkovin a enzymů, který se účastní tohoto transportu, se nazývá fosfotransferázový systém. Dárcem fosfátu a energie je zde fosfoenolpyruvát. Tento fosfotransferázový systém je znám u aerobních a fakultativně anaerobních bakterií. U eukaryotních mikroorganismů nebyl prokázán.

Vlastně jde o transport makromolekul. Bakteriální buňky jsou schopny přijímat peptidy, některé bílkoviny (bakteriociny) a fágovou nebo bakteriální DNA (deoxyribonukleová kyselina) Předpokladem je přítomnost receptorů v cytoplazmatické membráně pro externí bílkovinné molekuly. Po jejich obsazení touto bílkovinou dochází k lokální změně permeability cytoplazmatické membrány. Někdy probíhá i mechanismus endocytózy, která má dvě formy: pinocytózu a fagocytózu.

Pinocytóza je v podstatě pohlcování kapalných částic, kdy cytoplazmatická membrána vytvoří kolem externí molekuly vychlípeniny v podobě měchýřku, ve kterém jsou uzavřeny kapičky kapaliny. Po odškrcení měchýřku se obsah vyprázdní dovnitř buňky.

Fagocytóza je pohlcování pevných částic, kdy buňka vytvoří z cytoplazmy výběžky, kterými částečku obklopí. Vznikne měchýřek, do kterého přechází hydrolytické enzymy a částečku rozkládají. Toto je charakteristické pro makrofágy. Jsou tak pohlcovány například viry, bakterie nebo zbytky buněk.

Potřebná energie pro endocytózu se získává hydrolýzou ATP (adenosintrifosfát)