核膜包括以平行方式相互重疊的兩層膜狀構造，也就是內膜及外膜，兩者之間的距離約10到50納米(nm)。核膜將細胞核完全包覆，使內側的遺傳物質與外側的細胞質分離。并阻擋大分子在核質與細胞質之間自由擴散。細胞核的外膜與另一種膜狀構造粗糙內質網相連，兩者皆綴有核糖體。內外膜之間的空間稱為核膜間隙，這些空間與粗糙內質網中的內腔相連醫`學教育網搜集整理。

　　穿透核膜的核孔擁有類似于通道的功能，是由多種核稱為核孔蛋白的蛋白質所組成。核孔的分子量約125百萬Da，含有約50(酵母菌)到100(脊椎動物)個蛋白質。核孔的直徑為100納米，不過真正可讓分子自由擴散的孔道只有寬9納米，這是因為核孔中間存在一些調節系統。小型的水溶性分子可以直接通過，而大型分子如核酸與蛋白質則會受到阻礙，需要透過主動運輸才能進入細胞核。典型的哺乳類細胞核膜上，擁有約3000到4000個核孔，這些核孔含有8個形狀有如甜甜圈的環狀對稱構造，同時嵌于內外膜之中。伴隨這些環狀構造的核籃(nuclear basket)，則向內延伸進入核質;另外還有一系列的絲狀構造伸入細胞質中。這些構造的功能是用來與核運輸蛋白結合。

　　許多蛋白質、核糖體次單元或RNA，可在一類稱為核轉運蛋白(karyopherin)的運輸因子中介下通過核孔。其中可幫助分子進入核內的又稱為內輸蛋白(importin);幫助分子離開細胞核的則稱作外輸蛋白。大多數核轉運蛋白可直接與欲運送的分子作用，有些則需要轉接蛋白協助。類固醇激素如皮質醇與醛固酮，以及其他作為細胞信號的脂溶性分子，可以從細胞膜擴散進入細胞質，并與將要進入細胞核內的核受體蛋白結合。這些受體與配體結合時具有轉錄因子的功用，若配體不存在，受體則有組織蛋白去乙酰酶的作用，可抑制基因表現。