Hücre biyolojisi, keşfedildiği yıllarda basit bir molekül yumağı olarak düşünülmekteydi. Ancak bilim ve teknoloji ilerledikçe, hücrenin iç yapısının son derece karmaşık olduğu ortaya çıkmıştır. Ders kitaplarında hücreye dair belirtilen bilgiler, hücrenin en basit halini göstermekle beraber, organel ve hücre sistemlerinin çizimleri oldukça basite indirgenmiştir. Hücreyi ele alırken, en dıştan en içe doğru gerçek yapıları tek tek inceleyeceğiz. Başka bir deyişle, hücrenin en dış bölgesi olan membrandan, en iç bölgesi olan nukleolus'a kadar her yapıyı detaylı bir şekilde ele alarak açıklayacağız.

Hücre zarının yapısı, fosfolipit adı verilen bir çift tabakadan oluşur. Bu tabakanın kalınlığı, hücrenin her yerinde farklılık göstermekle beraber, genellikle 8-10 nm (nanometre) arasında değişir. Yağ ve protein molekülleri, hidrofilik (su seven) ve hidrofobik (su sevmeyen) özellikleri sayesinde belirli bir düzen içinde yerleşirler.

Hücrenin %75'lik kısmı sudan oluşur. Bu denli fazla miktarda su içeren bir yapının dağılmadan ayakta durabilmesi, hücre içindeki iskelet ve kas benzeri davranış gösteren bir sistem sayesinde mümkündür. Hücre içinde sistematik şekilde yerleşmiş olan mikrotübüller ve mikrofilamentler, hücre iskeletini oluşturan ana unsurlardır.

Hücre içinde, her biri birbirleriyle etkileşim içinde bulunan birçok organel ve bu organellere yardımcı olan yapılar bulunmaktadır. Ancak bu organeller, sayı ve mimari açıdan hücreden hücreye çeşitlilik gösterebilir. Bitki hücresi ile hayvan hücresi arasındaki farklar oldukça belirgindir. Bitki hücrelerinin dış tarafında, membrana ek olarak kalın bir yapı olan selülozdan yapılmış bir çeper görülmektedir. Bu çeper, bitki hücresini hem dış ortamlardan korur hem de hücreye sertlik sağlar. Bu nedenle bitki hücreleri, hayvan hücreleri kadar esnek değildir.

Endoplazmik retikulum, hücre içinde madde iletimini gerçekleştiren bir boru ağı gibi iş görür. Hücreyi bir şehir gibi düşünürseniz, endoplazmik retikulumu bu kentin su borusu şebekesi gibi düşünebilirsiniz. Endoplazmik retikulum, tüm hücrelerde bulunur. Ancak hücreden hücreye yapısal çeşitlilik gösterebilir. Örneğin, bazı hücrelerde yassı kese biçiminde iken, diğer bazı hücrelerde ise tübüler bir yapıya sahip olabilir.

Şekil olarak ardışık dizilimli keselere benzeyen golgi aygıtı, endoplazmik retikulumla bağlantılı olarak vezikül üretmekle görevli bir organeldir.

Ribozomlar, her hücrede bulunan bir organeldir. Bakteri hücresinde başka organel bulunmasa dahi, mutlaka ribozom bulunur. Bunun sebebi, enzim ve proteinlerin her hücre için elzem olmasıdır. Enzim ve proteinler, ribozomlar aracılığıyla üretildiği için ribozom her hücrede mutlaka bulunur. Ancak sayıca hücreden hücreye farklılık gösterebilir.

Mitokondri, hücreye gerekli olan enerjinin üretildiği bir organeldir. Bu organel, diğer organeller gibi çift zar ile çevrilidir. Ancak iç zar, dış zar gibi düz değildir ve kıvrımlar oluşturur.

Nukleus, hücrenin çoğunlukla merkezinde konumlanmış bir organeldir. İçinde genetik materyal olan DNA'yı barındırır ve hücrenin yönetim merkezi olarak görev yapar.

Hücre biyolojisi, hücrelerin yapı ve fonksiyonlarını anlamak için temel bir bilim dalıdır. Hücrelerin karmaşık yapıları ve organellerin işlevleri, modern biyolojinin en önemli araştırma konularından biridir. Bu bilgiler, biyoteknoloji, tıp ve diğer pek çok alanda uygulama bulmaktadır. Hücre biyolojisi sayesinde, yaşamın temel birimini oluşturan hücrelerin nasıl çalıştığını daha iyi anlayabiliriz.