חלבונים מבניים הם קטגוריה של חלבונים האחראים על תפקודים החל מצורת התא ותנועתו ועד לתמיכה במבנים עיקריים כגון עצמות, סחוס, שיער ושרירים. קבוצה זו כוללת חלבונים כגון קולגן, אקטין (actin), מיוזין וקרטין (keratin).

קולגן, החלבון הנפוץ ביותר ביונקים, נמצא בכל הגוף. ברקמת חיבור, כגון עור, רצועות וגידים, הוא מספק חוזק מתיחה וגמישות. בעצמות ובשיניים הוא עובר מינרליזציה ליצירת רקמות קשות ותורם ליכולת נשיאת העומס שלהן. בנוסף לתמיכה מבנית, קולגן יכול גם לקיים אינטראקציה עם קולטני פני השטח של התא ומולקולות ביניים אחרות כדי לווסת תהליכים תאיים, כגון גדילה ונדידה, הכוללים שינויים בצורת התא והרקמות.

חלבונים מבניים מהווים את המסגרת הבסיסית של שלד התא. שלד התא מורכב משלושה סוגים של חוטים, מיקרופילמנטים, חוטי ביניים ומיקרוטובולים, וכל אחד מהם מורכב מחלבונים מבניים שונים. המיקרופילמנט נוצר כאשר אקטין מתפלמר בעצמו למבנים ארוכים החוזרים על עצמם. חוטי אקטין אלה תורמים לצורת התא ולארגונו; בנוסף, מיקרופילמנטים יכולים גם לתרום לתנועה ולחלוקה של תאים, כאשר הם פועלים בשילוב עם מיוזין. הרכב חוטי הביניים משתנה בהתאם לסוג התא. ישנם כ-70 גנים שונים המקודדים חוטי ביניים שונים. חוטי ביניים בתאי אפיתל מכילים קרטין, נוירונים היקפיים מכילים פריפרין, והסרקומר בתאי שריר מכיל דסמין. התפקיד המבני העיקרי של חוטים אלה הוא לחזק תאים ולארגן אותם ברקמות. מיקרוטובולים מורכבים מחלבונים מבניים הנקראים טובולינים. טובולינים מתאספים בעצמם ליצירת מיקרוטובולים התורמים לארגון הציטופלסמה, כולל מיקום האברונים. מיקרוטובולים חיוניים גם למיטוזה ולחלוקת התא.

מכיוון שחלבונים מבניים נפוצים, מוטציה בגן המקודד לכל אחד מהחלבונים הללו יכולה להיות בעלת השפעות מזיקות חמורות. לדוגמה, מוטציה בגן המקודד לקולגן יכולה לגרום למצב המכונה osteogenesis imperfecta, המאופיין בעצמות חלשות ועיוותים ברקמות חיבור. מוטציות שונות בגן קולגן יכולות לגרום לתסמונת אלפורט, המאופיינת בבעיות באיברים כגון כליות, עיניים ואוזניים.