載體蛋白在膜的一側與離子特異性地結合，形成不穩定載體--離子復合物，然后在膜的另一側把離子釋放出來，而載體又回到原來一側.細胞膜上一定的蛋白質，可以使一定的離子通過。例如，用人工膜進行實驗時，在一般情況下，鉀離子不能從高濃度的一側穿過人工的脂質雙層膜（磷脂雙分子層），擴散到低濃度的一側。但是，如果在這脂質雙層膜上，加入少量的纈氨霉素（一種抗生素），則鉀離子便可以通過，而其他離子不能。這是由于纈氨霉素與鉀離子有特異的親和力，并且在這種蛋白質結構內部有適合該離子的通道。細胞膜上的這種蛋白質叫做離子載體。纈氨霉素就是鉀離子載體。葡萄糖進入紅細胞，是因為在紅細胞上有一種蛋白質，它與被運輸物質葡萄糖有特異的親和力，當這種蛋白質與葡萄糖結合時，引起了它的構象變化，從而使葡萄糖通過細胞膜而進入細胞。
糖、氨基酸，核苷酸等水溶性小分子一般由載體蛋白運載。少數情況下也可能載體與被轉運分子的復合物發生180°旋轉，從而把該分子送到膜的另一側。
載體蛋白有的需要能量驅動，如：各類ATP驅動的離子泵；有的則不需要能量，以自由擴散的方式運輸物質載體是一種允許和幫助水溶性物質滲入并穿過細胞膜的脂質層而轉移到細胞中去的物質。