Cellemembranen ligger mellom cellevegg og cytosol. Cellemembranen er ikke like viktig som bakterieveggen for å opprettholde cellestrukturen, men er viktig som en osmotisk barriere mellom bakterien og ekstracellulært område. Antibakterielle midler som angriper cellemembranen virker ved å øke permeabiliteten til membranen, slik at proteiner, vann, ioner osv. lekker. Bakterien blir dermed ustabil, og gjennomgår cellelyse (bakterien sprekker). Daptomycin og polymyksiner har denne virkningsmekanismen. Daptomycin lager små efflukspumper som tillater ioner og små molekyler å bevege seg inn og ut av cellen (for eks. kalium pumpes ut og vann pumpes inn). Polymyksin øker permeabiliteten til cellemembranen ved å binde seg til cellemembranen som «bryter» opp cellemembranen (ødelegger membranen). Dette gjør at molekyler kan transporteres inn og ut av cellen.