细胞生物学研究细胞的结构、功能和行为。所有生物体均由细胞组成，可大致分为原核生物（细菌和古菌）和真核生物（原生生物、真菌、植物和动物）。

原核细胞结构

拟核是细胞质内的区域，含有一条环状染色体（双链DNA），由拓扑异构酶超螺旋化；与真核生物不同，没有核膜。核糖体为70S（50S + 30S亚基），由rRNA和蛋白质组成，负责蛋白质合成，其70S的大小区别于真核生物的80S核糖体。细胞质膜是磷脂双层膜，嵌有蛋白质，作为选择性渗透屏障，是电子传递和ATP合成（氧化磷酸化）及分泌的场所。细胞壁是肽聚糖层（革兰氏阳性或革兰氏阴性），维持细胞形状并抵抗渗透压。鞭毛通过旋转马达提供运动性，而菌毛（伞毛）介导对表面和其他细胞的粘附。

真核细胞结构

质膜是磷脂双层膜，含有胆固醇（原核生物中不存在），嵌有用于运输、信号传导和细胞-细胞识别的蛋白质；流动镶嵌模型描述其动态性质。细胞核由双层核膜（核被膜）包围，核孔调节分子运输，含有染色质（DNA + 组蛋白）、核仁（rRNA合成）和核质。

内膜系统

内质网存在两种形式：粗面内质网（附有核糖体）负责蛋白质合成和折叠，滑面内质网负责脂质合成、糖代谢和钙储存。高尔基体是扁平囊泡堆叠结构，对蛋白质进行修饰、分选和包装，用于分泌（组成型或调节型）或运送到其他细胞器。溶酶体是含水解酶（酸性水解酶，最适pH约5）的膜结合囊泡，通过自噬降解大分子、病原体和受损的细胞器。

产能细胞器

线粒体是双层膜细胞器，内膜折叠形成嵴；是氧化磷酸化的场所，通过电子传递链和化学渗透偶联生成ATP。它们含有自身的环状DNA（mtDNA）和70S核糖体，是内共生起源的证据。叶绿体（存在于藻类和植物）也是双层膜细胞器，含有类囊体堆叠（基粒）用于光合作用，并含有自身的DNA和核糖体。

细胞骨架

微丝（肌动蛋白）直径7 nm，参与细胞运动、胞质分裂和维持细胞形状，由ATP-肌动蛋白单体聚合而成。微管是直径25 nm的中空管，由α/β-微管蛋白二聚体组成，形成有丝分裂纺锤体、纤毛和鞭毛（9+2排列），并作为驱动蛋白和动力蛋白介导的细胞内运输轨道。中间丝直径10 nm，包括多种蛋白质（角蛋白、波形蛋白、核纤层蛋白），提供机械强度和核结构支持。

细胞分裂

有丝分裂是核分裂，产生两个遗传上相同的子细胞（前期、中期、后期、末期），用于生长和组织修复。减数分裂涉及两轮分裂（减数分裂I和II），通过交叉和独立分配产生四个遗传上不同的单倍体配子，具有遗传变异。胞质分裂是细胞质的分裂，动物细胞通过肌动蛋白-肌球蛋白收缩环完成，植物细胞通过细胞板完成。