膝は.脛骨大腿関節（内側脛骨大腿関節面.外側脛骨大腿関節面）と膝蓋大腿関節からなる二重関節構造になっています。 脛骨大腿部外側の最初の1/3は漸増する凹面.後半の2/3は漸減する凹面である。 脛骨大腿骨内側の関節面は.お椀型の窪みになっている。 このように.隆起した大腿骨関節面と窪んだ脛骨大腿骨関節面が一致することで.膝は矢状面に屈曲・伸展するが.脛骨大腿骨外側関節面の特徴である凹み構造により.完全に一致することはなく.同軸ではなく.複数の過渡運動中心で屈曲・伸展することが可能である。
膝関節の動き（断面図
膝を完全に伸ばした状態では.大腿骨顆と脛骨顆の連動により.膝の回転は完全に制限されます。主に.大腿骨顆の内側が外側よりも長いためです。
膝を屈曲させると回転域が広がり.屈曲90°.外旋0～45°.内旋0～30°で最大となる。
屈曲が90°を超えると.主に軟部組織が回転運動を制限するため.内旋・外旋の範囲が狭くなり始める。
膝関節の前額面での動き
前額面の外転・内転は.関節の屈曲度合いにも影響されます。
膝を完全に伸ばした状態では.前額面の動きはほとんど妨げられます。
膝を30°まで屈曲させると.受動外転・内転が増加するが.最大で数度の変化しかない。
膝の屈曲角度が30°を超えると.軟部組織の機能的限界により.前額面の動きも小さくなり始める。
脛骨大腿関節のロッキング機構
膝伸展時には脛骨は外旋しているが.膝屈曲時にはこの動きは逆転する。 脛骨大腿関節は純粋な屈曲関節ではなく.螺旋状.スパイラル状の運動面を有している。 大腿骨内側顆の構造により.膝関節の屈曲・伸展時に大腿骨に対して脛骨がこのように螺旋状に動くことになるのです。 正常な膝では.内側顆は外側顆より1.7cm長いので.膝を曲げた後.まっすぐにすると.大腿骨と脛骨の間で互いに回転する動きがもたらされます。
この生体メカニズムは「スクリューホームメカニズム」と呼ばれ.人によっては「スパイラルホームメカニズム」とも呼ばれる。この機構に問題がある場合（回転不足または回転過多）.大腿四頭筋の筋肉の発揮の仕方が変わり.筋緊張のバランスが崩れることがあり.これが膝蓋大腿疼痛症候群の主な原因の1つとされています。
十字靭帯
前十字靭帯と後十字靭帯は.膝関節全体の屈曲と伸展をコントロールし.安定させる役割を担っています。
前十字靭帯（ACL）：膝の伸展時に大腿骨を前方に引っ張る靭帯。 この靭帯を切断すると.脛骨が大腿骨の上に前方脱臼します（anterior drawer sign）。 死体でACLを切断すると.脛骨が大腿骨に対して7mm前方に変位していることがわかる。 健康な大学生の膝関節屈曲90°におけるanterior drawer testの平均値は1.2～2.7mmである。 ACLの下位機能は.通常.内旋および外旋の制限と考えられている。
後十字靭帯（PCL）：PCLは大腿骨に対する脛骨の後方変位を制限している（posterior drawer sign）。 逆に.PCLは.閉鎖性スポーツで足から着地する際に.大腿骨顆が脛骨顆の上に前方変位する（脱臼）のを防ぐのに役立っています。PCLは.通常.わずかな受動運動しか許しません。 健康な大学生の膝関節屈曲90°におけるバックドロアテストでの変位量の平均値は.男性で0.6～1.0mm.女性で1.2～1.9mmであった。
膝蓋大腿関節
膝の完全伸展から完全屈曲まで.膝蓋骨は大腿骨の顆の間を約7cmスライドします。
90°以上の屈曲では.膝蓋骨は外旋し.大腿骨の内側の関節面のみが膝蓋骨と関節を形成している。
完全屈曲では.膝蓋骨は顆間溝へ滑り込みます。
接触面積は.膝の屈曲が大きくなるとともに.大腿四頭筋の張力が大きくなるとともに大きくなる。
膝蓋大腿関節の接触面と膝の屈曲・伸展角の関係
通常.膝蓋骨は大腿骨距骨の中に完全に収まっておらず.膝の屈曲・伸展に伴って膝蓋大腿間接触面は連続的に変化します。
膝関節屈曲10°～20°では.膝蓋骨下極の内側と外側の関節面が同時に大腿骨距骨に接触している状態です。 屈曲の程度が大きくなると.膝蓋骨と転子との接触面は徐々に近位側と外側に移動していきます。
膝関節屈曲45°で膝蓋大腿部接触面積は最大となる。
90°屈曲後.さらに屈曲が進むと.大腿骨に対応する膝蓋骨の内側と外側の接触面は徐々に離れ.互いに独立した状態になります。
Q角
Q角とは.大腿四頭筋の力線と膝蓋靭帯の力線との角度.すなわち前上腸骨棘から膝蓋骨の中点までの線が大腿四頭筋の力線.膝蓋骨中点から脛骨結節の最高点までの線が膝蓋靭帯力線となるもの。
Q角に影響を与える要因：Q角は大腿骨頸部の傾きと脛骨の回転の影響を受け.仰臥位で股関節と膝を完全に伸ばした状態で測定されます。
膝の屈曲が軽度であれば.大腿骨に対して脛骨が内旋するため.Q角は減少する。 大腿骨の内旋に伴い.Q角は増加する。
Q角が大きくなると.膝蓋骨にかかる外向きの力が大きくなり.膝蓋骨が不安定になるため.膝蓋大腿関節にかかる圧力の分布に異常が生じます。