Koncentrationen av ett ämne är antalet molekyler som finns i en given volym vätska eller gas. En koncentrationsgradient uppstår mellan ett område med hög koncentration och ett område med låg koncentration. I naturen inträffar detta vanligtvis på varje sida av en cellgräns eller membran. Om partiklar fritt kan passera membranet sker en process som kallas diffusion, där partiklar rör sig över koncentrationsgradienten med ett nettoflöde mot området med låg koncentration. Denna rörelse av molekyler nedför gradienten leder så småningom till att båda områdena blir lika i koncentration, ett tillstånd som kallas dynamisk jämvikt.
Termisk energi gör att molekyler i vätskor och gaser rör sig slumpmässigt i raka linjer tills de möter andra partiklar eller ytor som får dem att ändra riktning. Processen som kallas diffusion innebär att molekyler har en tendens att flytta sig bort från områden där det finns höga koncentrationer och att röra sig mot mindre koncentrerade områden. Olika molekyltyper tenderar också att blandas ihop. Båda dessa processer är igång när en doft gradvis sprider sig över ett rum och blandas med luftmolekyler. Så småningom tar en jämn fördelning av partiklar bort koncentrationsgradienten.
I en process som kallas osmos verkar molekyler röra sig åt motsatt håll över gradienter, från låga till höga koncentrationer av partiklar. Detta kan ses i fall då ett cellmembran blockerar partiklar från att passera eftersom de är för stora. Vattenmolekylerna i lösningen kan vara tillräckligt små för att passera genom membranet, även om de lösta partiklarna inte är det.
Vattenmolekyler rör sig från området utanför cellen, där koncentrationen av partiklar är relativt låg, till insidan av cellen, där det finns en hög partikelkoncentration. På samma sätt som diffusion minskar denna rörelse koncentrationsgradienten mellan de två områdena. Det kan beskrivas som en speciell form av diffusion, eftersom vattenmolekylerna verkligen rör sig från ett område med hög vattenkoncentration till ett område med låg vattenkoncentration.
Ibland fungerar cellbiologin för att aktivt flytta partiklar mot en koncentrationsgradient och mot påverkan av osmos och diffusion. Så kallade aktiva transportmekanismer spelar in, såsom natrium-kalium-pumpen. Denna pump transporterar natrium- och kaliummolekyler över cellmembranet, vilket säkerställer att det finns en hög kaliumkoncentration inuti cellen och en hög natriumkoncentration utanför. Processen kräver ATP, en speciell molekyl i vilken energi lagras, som finns inuti cellen.