真核細胞を見分ける特徴の1つは、核やミトコンドリアなど、膜と結合した特定の機能を担う細胞小器官が存在することです。生体膜はごく限られた物質しか透過しないため、細胞小器官の周囲にある膜は、内部状態の制御された区画を形成します。このような微小環境は、多くの場合、周囲の細胞質環境とは異なり、細胞小器官の特定の機能に合わせて作られます。

例えば、動物細胞の中で分子や細胞残骸を消化する細胞小器官のリソソームは、周囲の細胞質よりも酸性の環境を維持しています。リソソームの酵素が反応を起こすのに低いpHを必要とするからです。同様に、ミトコンドリア内でもpHは調整されており、ミトコンドリアがエネルギーを生産する機能を果たすのを助けます。

さらに、タンパク質の中には、適切な折り畳みや処理のために酸化環境を必要とするものがありますが、細胞質は一般的に還元性です。したがって、これらのタンパク質は小胞体のリボソームによって作られ、そこでは必要な環境が維持されます。タンパク質はしばしば、膜に結合した小胞を介して細胞内を輸送されます。

真核細胞の遺伝物質は核の中に格納されており、核は核膜と呼ばれる二重膜で囲まれています。核膜にある小孔は、核を出入りできる分子やイオンを制御します。例えば、メッセンジャーRNA（mRNA）は、この孔を通り核から出て、DNAにコードされた遺伝的説明書を持ってリボソームへ運ばれ、そこでmRNAはタンパク質へと翻訳されます。

細胞小器官は、危険な物質を封じ込めたり、中和したりして細胞を保護することもできます。例えば、ペルオキシソームは酸化反応を行い、細胞にとって有害な過酸化水素を生成しますが、その過酸化水素を無害な酸素と水に変換する酵素も持ちます。このように、区画化することで、真核細胞は、必要な環境や生成される副産物の点で相容れない様々な異なる機能を実行することができます。