Una proteína transmembranal o proteína transmembrana es aquella proteína integral de membrana que atraviesa la bicapa lipídica de la membrana celular, una vez (unipaso) o varias (multipaso).
Además, un dominio citosólico y otro extracitosólico en contacto con el interior y exterior de la célula respectivamente, de carácter hidrofílicos ("son afines al agua").
Las principales funciones son servir como canales transportadores de iones o moléculas, como por ejemplo las acuaporinas que transportan agua a través de la membrana; recepción de señales celulares, anclaje al citoesqueleto o a la matriz extracelular, etc.
Los dominios de estas proteínas se clasifican como: Atraviesan la bicapa lipídica en dos o más ocasiones, normalmente mediante varias α-hélice, aunque hay casos de inserciones a través de β-lámina.
Hay muchos ejemplos: receptores asociados a proteínas G triméricas, canales iónicos, porinas en bacterias, y de nuevo en el eritrocito la proteína Banda 3, proteína transmembranal multipaso que atraviesa la membrana con 12 α-hélices, y con sus extremos hacia el citosol.