Salah satu fungsi yang lebih penting dari asam lemak adalah pembentukan membran sel, yang menyelimuti semua sel dan organel intraseluler yang terkait. Secara khusus, membran sel terdiri dari fosfolipid bilayer yang terdiri dari dua rantai asam lemak yang terikat pada gliserol dan gugus fosfat hidrofilik yang bergabung dengan senyawa hidrofilik yang lebih kecil (misalnya, kolin).

Dengan demikian, setiap molekul fosfolipid memiliki ekor hidrofobik yang terdiri dari dua rantai asam lemak dan kepala hidrofilik yang terdiri dari gugus fosfat. Selaput seluler terbentuk ketika dua monolayer fosfolipid bergabung dengan ekor bergabung dalam larutan berair untuk menciptakan fosfolipid bilayer.

Fitur penting dari membran sel adalah fluiditas membran, yang mengacu pada viskositas membran lipid. Fluiditas membran dipengaruhi oleh keragaman rantai lipid yang terdiri dari membran sel, termasuk panjang rantai dan tingkat kejenuhan. Ketika fluiditas membran berubah, fungsi dan karakteristik fisik membran juga berubah. Misalnya, peningkatan konsumsi asam lemak ω-3 dapat meningkatkan tingkat EPA dan DHA dalam membran sel.

Ketika penggabungan tersebut terjadi di membran sel sel retina, ada peningkatan dalam transduksi cahaya. Selain itu, peningkatan akumulasi asam lemak ω-3 dalam membran sel darah merah menghasilkan fleksibilitas membran yang lebih besar, berpotensi menghasilkan mikrosirkulasi yang lebih baik.