Představy o struktuře elektrické dvojvrstvy, formulované na základě analýzy elektrostatických interakcí a tepelného pohybu iontů v elektrické dvojvrstvě. Každý z navržených modelů se přibližuje skutečnosti do určité míry; jejich věrohodnost je posuzována podle toho, jak dalece jsou matematické vztahy a kvalitativní závěry z modelové představy vyplývající ve shodě s experimentálními fakty.

Helmholtzův model (obr. 1a): náboj vnitřní vrstvy (nabitého povrchu) je úplně kompenzován těsně přiléhající vrstvou protiiontů; plošná hustota náboje této vnější vrstvy je stejná jako plošná hustota náboje nabitého povrchu (elektrická dvojvrstva je obdobou deskového kondenzátoru). Tento první model (1879) popisuje chování reálných systémů při vysokých koncentracích elektrolytů (velké iontové síle roztoku), kdy difuzní Gouyova-Chapmanova vrstva je stlačena a celý náboj vnitřní vrstvy je neutralizován nábojem plošné vnější vrstvy.

Gouyův-Chapmanův model (obr. 1b): koncentrace iontů ve vnější vrstvě plynule klesá se vzdáleností od nabitého povrchu. Stav této vrstvy je dán rovnováhou mezi elektrostatickými silami a tepelným pohybem iontů. Za předpokladu, že ionty jsou elektricky nabité body bez vlastních rozměrů, vypracovali Gouy (1910) a Chapman (1913) matematickou teorii, která popisuje úbytek potenciálu a hustoty náboje v závislosti na vzdálenosti od povrchu. Pro změnu potenciálu V  se vzdáleností od povrchu x plyne z jejich teorie vztah:

kde

je tzv. efektivní tloušťka dvojvrstvy (tj. vzdálenost desek, jakou by musel mít kondenzátor, aby měl stejnou kapacitu, , jako uvažovaná dvojvrstva), e - elementární náboj, z_i  - počet elementárních nábojů, nesených iontem typu i, ν_io - koncentrace (počet částic v jednotce objemu) iontů i v objemové fázi, I  - iontová síla roztoku, k_B - Boltzmannova konstanta, ε_r - relativní permitivita prostředí, ε_o - permitivita vakua a V₀ - potenciál nabitého povrchu.

V reálných systémech tvoří difuzní vrstva jenom část vnější vrstvy elektrické dvojvrstvy, ale její význam stoupá při velkých zředěních elektrolytu.

Sternův model (obr. 1c):vnější vrstva elektrické dvojvrstvy se skládá z těsně přiléhající plošné vrstvy (tzv. Sternovy vrstvy), která je tvořena ionty vázanými k vnitřní vrstvě převážně adsorpčními silami (které mají proti silám elektrostatickým krátký dosah) o plošné hustotě náboje σ₁, která je zpravidla menší než plošný náboj vnitřní vrstvy σ₀, a z difuzní vrstvy, tvořené ionty vázanými elektrostatickými silami (tato část vnější vrstvy bývá označována jako Gouyova-Chapmanova vrstva), které neutralizují zbytek náboje vnitřní vrstvy. Potenciál dvojvrstvy klesá nejprve prudce na hodnotu potenciálu Sternovy vrstvy a pak pozvolna k nule. Pro závislost poměru nábojů ve vnější a vnitřní plošné vrstvě na iontové síle roztoku I odvodil Stern za zjednodušujících předpokladů vztah (k je konstanta)

Popis elektrické dvojvrstvy tímto modelem nejlépe odpovídá experimentu, zvláště při středních koncentracích elektrolytů.