A osmose é o movimento de moléculas de um solvente através de uma membrana seletivamente permeável, de uma área com alta concentração de moléculas de solvente para uma área de baixa concentração. Nos sistemas vivos o principal solvente é a água. A membrana plasmática é mais permeável à água que a maioria das outras moléculas pequenas, íons e macromoléculas. Essa permeabilidade ocorre devido a difusão simples da água que ocorre através da membrana plasmática e a presença de canais proteicos (aquaporinas) na membrana.
As soluções podem ser classificadas de diferentes maneiras em relação à sua concentração relativa. Quando uma solução possui concentração igual à outra, ou seja, quando elas possuem a mesma quantidade de partículas por unidade de volume, mesmo que não sejam do mesmo tipo, exercem a mesma pressão osmótica e a chamamos de solução isotônica. Caso sejam separadas por uma membrana, haverá fluxo de água nos dois sentidos de modo proporcional. Quando comparamos soluções com concentrações diferentes, a solução com maior concentração de solutos é chamada de hipertônica e as soluções com concentração de soluto menor damos o nome de hipotônica. Quando colocamos uma membrana entre soluções com diferentes concentrações, o solvente desloca-se da solução hipertônica em sentido a hipotônica até que as duas se tornem isotônicas.
A osmose pode provocar alterações de volume celular. Quando uma célula encontra-se imersa em uma solução isotônica ela nunca ganha ou perde água e quando colocadas em uma solução hipertônica elas tendem a encolher pois perdem água para o meio exterior. Já em soluções hipotônicas, devido ao movimento de água para interior da célula, ela incha podendo até romper-se. Em condições normais, geralmente as células são hipertônicas em relação ao meio em que estão inseridas, logo a água presente no meio externo tende a entrar para as células.
Devido a facilidade que a água tem de atravessar a membrana plasmática, as células, tanto de organismos unicelulares como pluricelulares, desenvolveram uma série de estratégias para evitar a sua lise (rompimento) ou diminuição do volume citoplasmático. Em plantas e bactérias a presença de uma parede celular rígida e não expansível envolvendo a membrana plasmática impede que a célula aumente o seu volume e previne a sua ruptura. Alguns protozoários de água doce que habitam meios altamente hipotônico têm uma organela (vacúolo contrátil) que bombeia a água para fora da célula. Em animais multicelulares, o plasma sanguíneo e os fluídos intersticiais são mantidos em osmolaridade semelhante à do citosol através de uma alta concentração de albumina e outras proteínas no plasma sanguíneo. O bombeamento de Na+ para o meio extracelular também auxilia no equilíbrio osmótico.