Koncentracija tvari je broj molekula prisutnih u određenom volumenu tekućine ili plina. Gradijent koncentracije javlja se između područja visoke koncentracije i područja niske koncentracije. U prirodi se to obično događa sa svake strane stanične granice ili membrane. Ako čestice mogu slobodno prijeći membranu, odvija se proces koji se naziva difuzija, gdje se čestice kreću preko gradijenta koncentracije s neto protokom prema području niske koncentracije. Ovo kretanje molekula niz gradijent na kraju dovodi do toga da oba područja postanu jednaka u koncentraciji, stanje poznato kao dinamička ravnoteža.
Toplinska energija uzrokuje da se molekule u tekućinama i plinovima gibaju nasumično u ravnim linijama sve dok se ne sretnu s drugim česticama ili površinama koje uzrokuju promjenu smjera. Proces poznat kao difuzija znači da molekule imaju tendenciju udaljavanja od područja u kojima postoje visoke koncentracije i pomicanja prema manje koncentriranim područjima. Različite vrste molekula također imaju tendenciju miješanja. Oba ova procesa su na djelu kada se miris postupno širi prostorijom miješajući se s molekulama zraka. Na kraju, ravnomjerna raspodjela čestica uklanja gradijent koncentracije.
U procesu poznatom kao osmoza, čini se da se molekule kreću u suprotnom smjeru kroz gradijente, od niske do visoke koncentracije čestica. To se može vidjeti u slučajevima kada stanična membrana blokira prolazak čestica jer su prevelike. Molekule vode u otopini mogu biti dovoljno male da prođu kroz membranu, iako otopljene čestice nisu.
Molekule vode se kreću iz područja izvan stanice, gdje je koncentracija čestica relativno niska, u unutrašnjost stanice, gdje je koncentracija čestica visoka. Na isti način kao i difuzija, ovo kretanje smanjuje gradijent koncentracije između dvaju područja. Može se opisati kao poseban oblik difuzije, jer se molekule vode stvarno kreću iz područja visoke koncentracije vode u područje niske koncentracije vode.
Ponekad stanična biologija djeluje tako da aktivno pomiče čestice protiv gradijenta koncentracije i protiv utjecaja osmoze i difuzije. U igru dolaze oni poznati kao aktivni transportni mehanizmi, kao što je natrij-kalijeva pumpa. Ova pumpa prenosi molekule natrija i kalija kroz staničnu membranu, osiguravajući da postoji visoka koncentracija kalija unutar stanice i visoka koncentracija natrija izvana. Proces zahtijeva ATP, posebnu molekulu u kojoj se pohranjuje energija, koja se nalazi unutar stanice.