细胞膜中除离子通道外，还存在水通道（water channel）。
如前所述，水分子可以单纯扩散的方式通过细胞膜，但膜脂质对水的通透性很低，扩散速度很慢。事实上，某些细胞对水的转运速率可达到惊人的程度。例如，红细胞每秒允许百倍于自身容积的水通过其质膜，若将红细胞置于低渗溶液中，水很快进入细胞内，使之膨胀而发生溶血；此外，肾小管、集合管、呼吸道以及肺泡等处的上皮细胞对水的转运能力也很强。在这些细胞的质膜中，存在着大量对水高度通透且总是开放的水通道。组成水通道的蛋白称为水通道蛋白（aquaporin, AQP），其水相孔道只能允许水分子以单列形式扩散通过，但速率可达到每秒 2×10⁹个。各种离子水化后因直径加大，因而不能通过水通道。由于细胞膜水通道的发现，Peter Agre 被授予 2003 年诺贝尔化学奖。目前发现，各种哺乳类细胞上至少存在有十多种以上的水通道蛋白。某些细胞膜上水通道密度还可受生理性调控，如肾小管上皮细胞膜上水通道的数量可因抗利尿激素水平的升高而增加，这是尿浓缩的机制（见第八章）。