A membrana plasmática exerce distintas funções e, entre estas está o controle de substâncias que entram e saem da célula. A difusão molecular, também conhecida apenas por difusão, é um tipo de transporte de matéria, e tem como objetivo promover o equilíbrio entre duas soluções que se encontram, inicialmente, com concentrações diferentes. Trata-se de um fenômeno físico, onde em ocasião da energia térmica as moléculas se movem constantemente em um fluído, que pode ser líquido ou gás, promovendo a passagem do soluto para regiões de menores concentrações. Este tipo de transporte é extremamente importante para a vida celular, pois permite a absorção de nutrientes, bem como a excreção de produtos residuais.
Desta forma, quando duas soluções apresentam-se em desequilíbrio, ou seja, com diferentes concentrações, as moléculas do soluto tendem a se deslocar do meio em que há uma maior concentração, chamado de meio hipertônico, para uma área de menor concentração, conhecido como meio hipotônico. Neste sentido, diz-se que a passagem do soluto ocorre a favor de um gradiente de concentração, não envolvendo, portanto, dispêndio de energia e ocorre sem a necessidade de um transportador. Da mesma forma, mas em sentido oposto, o solvente pode se deslocar em direção à solução mais concentrada, que se encontra rica em soluto, processo este conhecido como osmose. Ao final observa-se um equilíbrio entre as soluções que irão se tornar isotônicas, apresentando igual concentração.
Porém, não são todas as moléculas que conseguem atravessar as membranas. Características como a lipossolubilidade, ou seja, ser solúvel em lipídios, e o tamanho molecular do soluto podem determinar a capacidade dessas moléculas em se mover através das membranas. Com isto, substâncias como os hormônios esteroidais, que são altamente lipossolúveis, conseguem se mover livremente, se dissolvendo na bicamada lipídica e atravessando-a com maior facilidade. O tamanho da molécula do soluto pode interferir no transporte, assim como na velocidade em que ocorre o transporte. O movimento molecular do soluto ocorre de forma aleatória, ou seja, ao se mover, a molécula estará a colidir com a membrana, que ao encontrar um poro maior que seu tamanho conseguirá atravessá-la, em direção à solução de menor concentração. Desta forma, moléculas orgânicas de baixo peso molecular conseguem se difundir facilmente através de membranas semipermeáveis, por apresentarem tamanhos reduzidos. Da mesma forma, a velocidade do transporte também é influenciada pelo tamanho da molécula, onde quanto maior for o peso molecular do soluto, menor será a velocidade em que ocorrerá o transporte. Exemplo é a difusão de água, oxigênio (O2), dióxido de carbono (CO2) e eletrólitos, além de determinados fármacos que ocorre através da barreira placentária, da mãe para o feto. Também, a troca gasosa necessária para nossa respiração envolve a difusão. Neste processo o O2 se move dos alvéolos para o sangue que está percorrendo os capilares pulmonares e, da mesma forma o CO2 se move, porém no sentido oposto.
Em relação à espécie de átomos envolvida, a difusão pode ser classificada em autodifusão, quando as espécies de átomos forem iguais ou, interdifusão ao envolver espécies de átomos diferentes no processo.
Além do controle celular, a difusão também tem sua aplicação em outros processos, como na engenharia metalúrgica para a modificação superficial de peças, em filtros para a purificação de gases e na produção de cerâmicas.