膝關節由胫股關節（內側胫股關節面、外側胫股關節面）和髌骨關節組成的雙關節結構。外側胫股關節面的前1/3為一逐漸上升的凹面，而後2/3則呈逐漸下降的凹面。內側胫股關節面則呈一種碗形的凹陷。如此，凸起的股骨關節面和凹陷的胫骨關節面彼此吻合，使膝關節得以在矢狀面上作屈伸活動；然而外側胫骨關節面的特征凹陷結構又使得外側胫股關節面並非完全吻合，從而允許膝關節的屈伸活動也不是同軸運動而是具有多個瞬時活動中心的運動。
膝關節從伸直到屈曲的運動范圍
數據來自22名受試者的平均值，左右膝之間有輕微差異
膝關節在胫骨關節面三個平面內均可以發生運動，但是運動幅度在矢狀面最大，正常活動范圍為0°-135°
瞬時中心是將面關節活動放在矢狀面和額狀面而非橫斷面中進行分析。可以描述關於人體兩個相鄰節段在相對單平面上的運動及在這些接觸點位移的方向。
膝關節在橫斷面的活動
膝關節完全伸直時，由於股骨髁和胫骨髁的交鎖，膝的旋轉完全受限，這主要是因為股內側髁比外側髁長。
當膝關節屈曲的時候，旋轉的范圍隨之增加，在屈膝90°的時候旋轉范圍達到最大，外旋0~45°，內旋0~30°。
當屈曲超過90°時，內旋和外旋的范圍反而開始縮小，主要是因為軟組織限制了旋轉運動。
膝關節在額狀面上的運動
額狀面上的外展和內收同樣受到關節屈曲程度的影響。
當膝關節完全伸直時，幾乎阻止了額狀面上的所有活動。
隨著膝屈曲到30°，被動外展和內收增加，但是最大也就幾度的變化。
當膝屈曲超過30°時，額狀面的運動也因為軟組織的功能限制而開始減小。
胫股關節的鎖定機制
在膝關節伸直時胫骨外旋，這個運動在膝關節屈曲時則相反。胫股關節非單純的屈戌關節，他有螺旋線和螺旋面的運動。由於股骨內側髁的結構導致了在屈伸膝關節時，這種胫骨相對於股骨的螺旋運動。在正常膝關節內側髁比外側髁長1.7cm。因此，當膝蓋做出彎曲→伸直，股骨與胫骨之間會被相對的帶出一個旋轉的動作。
此生物力學機制，稱之為‘screw-homemechanism’旋返機制，也有人稱為螺旋歸位機轉。如果此機制出現問題時（旋轉的角度不夠或是過大）股四頭肌的肌肉用力方式就有可能出現變化因而造成肌肉張力不平衡，也是造成髌骨股骨疼痛症候群的主要原因之一。
交叉韌帶
前、後交叉韌帶提供對整個膝關節屈伸運動的控制和穩定。
前交叉韌帶（ACL）：ACL在伸膝時牽拉股骨向前。切斷這韌帶允許胫骨在股骨上向前脫位（前屜征）。在屍體上切斷ACL顯示胫骨在股骨上向前移位7mm。在正常人這種移動非常小。健康大學生屈膝90°時，前屜試驗平均值為1.2～2.7mm。ACL的從屬功能通常認為是限制內、外旋轉。
後交叉韌帶（PCL）：PCL限制胫骨在股骨上的後移位（後屜征）。相反地，在閉鏈運動中，當在跑步腳著地時，PCL有助於防止股骨髁在胫骨髁上的向前移位（脫位）。PCL正常僅允許小量的被動運動。健康大學生在屈膝90°的後屜試驗中，移位的平均值男性為0.6～1.0mm，女性為1.2～1.9mm。
髌骨關節
膝關節從完全伸直到完全屈曲，髌骨在股骨髁間大約滑動7cm。
屈曲大於90°時髌骨外旋，只有股骨的內側關節面與髌骨構成關節
完全屈曲時髌骨陷入髁間溝內。
接觸面積隨著膝關節屈曲程度的增加以及股四頭肌拉力的增加而增加。
髌股關節接觸面與膝屈伸角度的關系
通常情況下，髌骨並非完全位於股骨滑車內，隨膝關節屈伸，髌股關節間接觸面不斷發生變化。
膝關節屈曲10°～20°時，髌骨下極內外側關節面同時與股骨滑車相接觸。隨關節屈曲度數增加，髌骨與滑車的接觸面逐漸向近側、外側移行。
膝關節屈曲45°時，髌股關節接觸面積達最大值。
屈曲90°後，隨屈曲度數進一步增加，髌骨對應股骨的內外側接觸面逐漸分離而相互獨立。
Q角
Q角是股四頭肌肌力線和髌韌帶力線的夾角，即從髂前上棘到髌骨中點的連線為股四頭肌肌力線，髌骨中點至胫骨結節最高點連線為髌韌帶力線，兩線所形成的夾角為Q角。
影響Q角的因素：Q角受股骨頸傾斜度和胫骨旋轉的影響，測量時取仰臥位，髋關節和膝關節充分伸直。
如果膝關節輕度屈曲，因胫骨相對股骨內旋，Q角會減少。股骨內旋時，Q角增加。
一般認為由於Q角的存在，膝關節在伸直過程中，髌骨受到股四頭肌牽拉的同時也產生一向外的分力。Q角越大髌骨向外的分力也越大，髌骨越不穩定，同時也造成髌股關節壓力的異常分布。
