A difusão aquosa ocorre dentro dos maiores compartimentos aquosos do corpo (espaço intersticial, citosol etc.) e por meio de junções apertadas da membrana epitelial e do revestimento endotelial de vasos sanguíneos, por poros aquosos que – em alguns tecidos – permitem a passagem de moléculas tão grandes quanto PM 20.000-30.000. 

A difusão lipídica é o fator limitante mais importante para permeação do fármaco por causa do grande número de barreiras lipídicas que separam os compartimentos do corpo. Como essas barreiras lipídicas separam compartimentos aquosos, o coeficiente de partição lipídica na fase aquosa de um fármaco determina quão rapidamente a molécula se move entre os meios aquoso e lipídico. 

Existem moléculas portadoras especiais de muitas substâncias importantes para a função celular e grandes demais, ou demasiado insolúveis em lipídeos, para que se difundam de forma fácil através de membranas, por exemplo, peptídeos, aminoácidos e glicose. Essas moléculas portadoras provocam movimento por transporte ativo ou difusão facilitada e, ao contrário da difusão passiva, são não seletivas, insaturáveis e não passíveis de inibição.

Algumas substâncias são tão grandes ou impermeáveis que só podem entrar nas células por meio de endocitose, processo pelo qual a substância liga-se a um receptor da superfície celular, é engolfada pela membrana da célula e carreada para dentro dela por compressão da vesícula recém-formada dentro da membrana. A substância pode então ser liberada dentro do citosol por ruptura da membrana da vesícula.