核膜由內外兩層單位膜組成，每層膜厚約6.5毫微米，兩層膜間隙寬約10～30毫微米，兩層膜之間的間隙，稱核周隙，核周隙中也含有酶。
核膜外層的外表面附有核糖體顆粒。有的細胞中，外膜與粗面內質網膜相連續，因為內質網膜與質膜是連續的，所以核膜間隙似乎與細胞外相通。
核膜內層的內表面上，有一層由多肽物質組成的網架，其作用是保持細胞核的形狀和附著染色質纖維；在有絲分裂過程中，對核膜的破裂和重建有一定的作用。
核膜上還有許多散在的孔，稱為核孔，在核孔周圍，核膜的內層與外層相連。核孔是核與細胞質進行物質交換的孔道。
核膜并不是完全連續的，有許多部位內外膜互相連接，形成穿過核膜的核孔。（注：無法用光學顯微鏡看見核膜）
核膜有典型的脂雙層結構，以分布為標準將其定為外膜和內膜區，膜間存在小的核孔。核膜的穩定性依靠兩層中間絲的網狀結構來維持：內部網絡在內核膜上形成核層。外部形成較松散的網絡以提供外部支持。