膝关节由胫股关节（内侧胫股关节面、外侧胫股关节面）和髌骨关节组成的双关节结构。外侧胫股关节面的前1/3为一逐渐上升的凹面，而后2/3则呈逐渐下降的凹面。内侧胫股关节面则呈一种碗形的凹陷。如此，凸起的股骨关节面和凹陷的胫骨关节面彼此吻合，使膝关节得以在矢状面上作屈伸活动；然而外侧胫骨关节面的特征凹陷结构又使得外侧胫股关节面并非完全吻合，从而允许膝关节的屈伸活动也不是同轴运动而是具有多个瞬时活动中心的运动。

　　膝关节在矢状面的活动

　　矢状面胫骨关节活动范围

　　活动

　　膝关节从伸直到屈曲的运动范围

　　步行

　　0-67°

　　上楼梯

　　0-83°

　　下楼梯

　　0-90°

　　坐下

　　0-93°

　　系鞋带

　　0-106°

　　数据来自22名受试者的平均值，左右膝之间有轻微差异

　　膝关节在胫骨关节面三个平面内均可以发生运动，但是运动幅度在矢状面最大，正常活动范围为0°-135°

　　瞬时中心是将面关节活动放在矢状面和额状面而非横断面中进行分析。可以描述关于人体两个相邻节段在相对单平面上的运动及在这些接触点位移的方向。

　　膝关节在横断面的活动

　　膝关节完全伸直时，由于股骨髁和胫骨髁的交锁，膝的旋转完全受限，这主要是因为股内侧髁比外侧髁长。

　　当膝关节屈曲的时候，旋转的范围随之增加，在屈膝90°的时候旋转范围达 到最大，外旋0~45°，内旋0~30°。

　　当屈曲超过90°时，内旋和外旋的范围反而开始缩小，主要是因为软组织限制了旋转运动。

　　膝关节在额状面上的运动

　　额状面上的外展和内收同样受到关节屈曲程度的影响。

　　当膝关节完全伸直时，几乎阻止了额状面上的所有活动。

　　随着膝屈曲到30°，被动外展和内收增加，但是最大也就几度的变化。

　　当膝屈曲超过30°时，额状面的运动也因为软组织的功能限制而开始减小。

　　胫股关节的锁定机制

　　在膝关节伸直时胫骨外旋，这个运动在膝关节屈曲时则相反。胫股关节非单纯的屈戌关节，他有螺旋线和螺旋面的运动。由于股骨内侧髁的结构导致了在屈伸膝关节时，这种胫骨相对于股骨的螺旋运动。在正常膝关节内侧髁比外侧髁长1.7cm。因此，当膝盖做出弯曲→伸直，股骨与胫骨之间会被相对的带出一个旋转的动作。

　　此生物力学机制，称之为‘screw-home mechanism’旋返机制，也有人称为螺旋归位机转。 如果此机制出现问题时（旋转的角度不够或是过大）股四头肌的肌肉用力方式就有可能出现变化因而造成肌肉张力不平衡，也是造成髌骨股骨疼痛症候群的主要原因之一。

　　交叉韧带

　　前、后交叉韧带提供对整个膝关节屈伸运动的控制和稳定。

　　前交叉韧带（ACL）：ACL在伸膝时牵拉股骨向前。切断这韧带允许胫骨在股骨上向前脱位（前屉征）。在尸体上切断ACL显示胫骨在股骨上向前移位7mm。在正常人这种移动非常小。健康大学生屈膝90°时，前屉试验平均值为1.2～2.7mm。 ACL的从属功能通常认为是限制内、外旋转。

　　后交叉韧带（PCL）：PCL限制胫骨在股骨上的后移位（后屉征）。相反地，在闭链运动中，当在跑步脚着地时，PCL有助于防止股骨髁在胫骨髁上的向前移位（脱位）。PCL正常仅允许小量的被动运动。健康大学生在屈膝90°的后屉试验中，移位的平均值男性为0.6～1.0mm，女性为1.2～1.9mm。

　　髌骨关节

　　膝关节从完全伸直到完全屈曲，髌骨在股骨髁间大约滑动7cm。

　　屈曲大于90°时髌骨外旋，只有股骨的内侧关节面与髌骨构成关节

　　完全屈曲时髌骨陷入髁间沟内。

　　接触面积随着膝关节屈曲程度的增加以及股四头肌拉力的增加而增加。

　　髌股关节接触面与膝屈伸角度的关系

　　通常情况下，髌骨并非完全位于股骨滑车内，随膝关节屈伸，髌股关节间接触面不断发生变化。

　　膝关节屈曲10°～20°时，髌骨下极内外侧关节面同时与股骨滑车相接触。随关节屈曲度数增加，髌骨与滑车的接触面逐渐向近侧、外侧移行。

　　膝关节屈曲45°时，髌股关节接触面积达最大值。

　　屈曲90°后，随屈曲度数进一步增加，髌骨对应股骨的内外侧接触面逐渐分离而相互独立。

　　Q角

　　Q角是股四头肌肌力线和髌韧带力线的夹角，即从髂前上棘到髌骨中点的连线为股四头肌肌力线，髌骨中点至胫骨结节最高点连线为髌韧带力线，两线所形成的夹角为Q角。

　　影响Q角的因素：Q角受股骨颈倾斜度和胫骨旋转的影响，测量时取仰卧位，髋关节和膝关节充分伸直。

　　如果膝关节轻度屈曲，因胫骨相对股骨内旋，Q角会减少。股骨内旋时，Q角增加。

　　一般认为由于Q角的存在，膝关节在伸直过程中，髌骨受到股四头肌牵拉的同时也产生一向外的分力。Q角越大髌骨向外的分力也越大，髌骨越不稳定，同时也造成髌股关节压力的异常分布。