細胞核與細胞質之間的界膜，厚約200埃，是真核細胞的特有結構。它除包括由雙層膜組成的“核膜”外，還包括兩層膜之間的核周腔和分佈在膜上的核孔。
核膜外膜向細胞質的一側有核糖體附著，同時也可見到外膜與內質網膜有相連接的部位，因而使核周腔與內質網腔相溝通。由於核膜與內質網膜是連續的，核膜可通過與內質網的物質交換而得以生長，迅速擴大或收縮。
核膜內膜向核質的一側，常見電子密度高的由交織的纖維組組成的一層物質，稱為纖維片層或核片層。它對保持細胞核的形狀、核膜孔的分佈格局以及維系染色質在核內的一定排列都可能起重要作用。在脊椎動物，核片層是由3個蛋白質亞基聚集而成，並與核膜內膜上特定的蛋白質結合（圖1）。
有絲分裂前中期時，大多數核片層蛋白從核膜釋放出來，擴散到細胞質中，從而導致核膜的解體。核膜的解體、重建也可能與核片層蛋白有密切關系。
細胞骨架成分中的微絲和微管，也常見於核膜附近，有時附著在核膜上。在低等真核生物，核膜的一定區域可能作為微管的組織中心，在細胞分裂時起著類似中心體的作用。
核內合成的RNA和核糖體需要輸出到細胞質中，而細胞質中合成的，在核內起作用的蛋白質（如組蛋白、RNA聚合酶、DNA 聚合酶等）又必須進入核內。所有真核細胞核質之間大分子的物質交換是通過核孔進行的。每一個核孔被一個圓盤形的核孔復合體包圍著，其內徑約為80納米。沿核孔的兩面，各有8個大的蛋白質顆粒排列成八角形（圖2）。
復合體中央的孔道為核質之間水溶性分子交換的通道，它並不暢通，部分被蛋白質物質堵塞。核孔復合體通道的有效直徑隻有9納米。
核膜對核內外物質的交通有高度選擇性，離子和小分子的通透是由核膜調節的，而核酸、蛋白質大分子的通透則是由核孔復合體的選擇通透性控制的。如果把原來存在於核內的蛋白質（如組蛋白、RNA 聚合酶等）註射到細胞質內，便能濃集到核內；而非核內蛋白，分子量超過60000就很難通過核膜進入核內。推測核內蛋白質分子結構上可能含有特別的信號肽段，使它們能選擇地通過核膜而集中到核內。至於一些體積顯然大於核孔復合體有效通路的蛋白質和核蛋白顆粒（如核糖體亞基的分子大小達15納米）則假定是由於分子構象從球形變成棒形而得以通過的；或者由於與核孔邊沿的某些受體分子的相互作用，使孔徑擴大而得以通過的。