Die Fähigkeit von Zellmembranen, selektiv permeabel zu sein, führt zu einer speziellen Art der Diffusion, die als Osmose bezeichnet wird. Die osmotische Konzentration bezieht sich auf das in einer Lösung enthaltene Wasservolumen als Ergebnis seiner Bewegung an einer Membran vorbei, die selektiv für das Durchtreten ist. Auch wenn sich Wasser ungehindert in beide Richtungen bewegen kann, erfolgt die Bewegung hauptsächlich von dort, wo die Wassermoleküle konzentrierter sind, zu Orten, an denen sie weniger konzentriert sind. Dieser Konzentrationsunterschied bestimmter Moleküle in einer Region im Vergleich zu einer anderen soll einen Konzentrationsgradienten aufbauen. Gelöste Stoffe, bei denen es sich um gelöste Moleküle handelt, bewegen sich im Allgemeinen nicht ungehindert an selektiven Zellmembranen vorbei.
Da die Diffusion über eine kurze Distanz schnell erfolgen kann, werden die Diffusionsrate und die osmotische Konzentration im Allgemeinen durch die Bewegung der Partikel bestimmt. Wie schnell oder langsam sich diese Partikel bewegen, hängt von ihrer Form und Größe, ihrer elektrischen Ladung und der Temperatur ab. Mit steigender Temperatur nimmt auch die Diffusionsgeschwindigkeit aufgrund der erhöhten Partikelbewegungsgeschwindigkeit zu. Partikel verschiedener Substanzen, die miteinander vermischt sind, diffundieren getrennt. Wenn keine Partikel hinzugefügt oder entfernt werden, wird ein Stabilitätszustand erreicht, dh die Partikel werden in beiden Bereichen gleichmäßig verteilt.
Der Grad der Membrandurchlässigkeit hängt von der Größe des Stoffes, seiner elektrischen Ladung und dem Aufbau der Membran ab. Eine Membran gilt als durchlässig für eine Substanz, wenn sie sie durchlässt, und als undurchlässig, wenn sie keinen Durchgang zulässt. Selektiv durchlässige Membranen lassen bestimmte Substanzen leicht durch sie hindurch, andere jedoch nicht, so dass Zellmembranen für kleine Moleküle sowie für fettlösliche Moleküle am durchlässigsten sind. Eine Ausnahme bilden Wassermoleküle, die eine flüssige Doppelschicht schnell durchdringen können.
Abhängig von der äußeren Umgebung und den Bedürfnissen der Zelle können Plasmamembranen den Durchgang einer bestimmten Substanz zu bestimmten Zeiten verhindern und zu anderen Zeiten zulassen. Veränderungen des Zellvolumens und der Ionenverteilung können die osmotische Konzentration beeinflussen. Durch die Regulierung der osmotischen Konzentration kontrolliert eine Zelle ihr Volumen und ihre innere Umgebung, die äußerlich deutlich unterschiedlich sein kann.
Der osmotische Druck einer Lösung bezieht sich auf die Tendenz von Wasser, durch Osmose in diese Lösung einzudringen. Lösungen mit hohen Konzentrationen an gelösten Stoffen haben niedrige osmotische Konzentrationen sowie höhere osmotische Drücke. In die andere Richtung weist eine Lösung mit einer geringen Konzentration an gelösten Stoffen eine hohe Wasserkonzentration sowie einen niedrigen osmotischen Druck auf.