Una doppia membrana è una struttura di membrana costituita da due doppi strati fosfolipidici disposti uno contro l'altro. Le doppie membrane definiscono compartimenti cellulari noti come organelli. Lo spazio delimitato dalle due membrane costituisce il lume dell'organello, distinto dal citosol.

Una delle strutture a doppia membrana più importanti nelle cellule eucariotiche è l'involucro nucleare, che racchiude il materiale genetico della cellula. Altri organelli ben noti che possiedono doppie membrane includono mitocondri e cloroplasti. Nei mitocondri la struttura a doppia membrana serve a generare un gradiente protonico per la produzione di ATP attraverso la fosforilazione ossidativa. Nei cloroplasti, la doppia membrana è coinvolta nella cattura e nella conversione della luce solare in energia chimica durante la fotosintesi.

Le doppie membrane svolgono un ruolo essenziale nella compartimentazione cellulare, nel trasporto di molecole e nel mantenimento di ambienti chimici specifici all'interno degli organelli, rendendole componenti critici della struttura e della funzione delle cellule eucariotiche.