核膜由内外两层单位膜组成，每层膜厚约6.5毫微米，两层膜间隙宽约10～30毫微米，两层膜之间的间隙，称核周隙，核周隙中也含有酶。
核膜外层的外表面附有核糖体颗粒。有的细胞中，外膜与粗面内质网膜相连续，因为内质网膜与质膜是连续的，所以核膜间隙似乎与细胞外相通。
核膜内层的内表面上，有一层由多肽物质组成的网架，其作用是保持细胞核的形状和附着染色质纤维；在有丝分裂过程中，对核膜的破裂和重建有一定的作用。
核膜上还有许多散在的孔，称为核孔，在核孔周围，核膜的内层与外层相连。核孔是核与细胞质进行物质交换的'孔道。
核膜并不是完全连续的，有许多部位内外膜互相连接，形成穿过核膜的核孔。（注：无法用光学显微镜看见核膜）
核膜有典型的脂双层结构，以分布为标准将其定为外膜和内膜区，膜间存在小的核孔。核膜的稳定性依靠两层中间丝的网状结构来维持：内部网络在内核膜上形成核层。外部形成较松散的网络以提供外部支持。