Kooperacyjne przejścia allosteryczne mogą zachodzić w białkach multimerycznych, w których każda podjednostka białka ma swoje własne miejsce wiązania ligandu. Kiedy ligand wiąże się z którąkolwiek z tych podjednostek, wyzwala zmianę konformacyjną, która wpływa na miejsca wiązania w innych podjednostkach; Może to zmienić powinowactwo innych miejsc do ich odpowiednich ligandów. Zdolność białka do zmiany kształtu miejsca wiązania przypisuje się obecności w strukturze mieszanki elastycznych i stabilnych segmentów. Cząsteczka, która wyzwala tę zmianę, jest znana jako modulator.

Do wyjaśnienia kooperatywności białek multimerycznych często stosuje się dwa modele: model uzgodniony i sekwencyjny. Model uzgodniony, znany również jako model "wszystko albo nic", zakłada, że wszystkie podjednostki białka multimerycznego przełączają się jednocześnie między konformacjami "włączonymi" i "wyłączonymi". W formie "włączonej" miejsca wiązania mają wysokie powinowactwo do odpowiednich ligandów, a w formie "wyłączonej" miejsca wiązania mają niskie powinowactwo. Kiedy ligand wiąże się z którąkolwiek z podjednostek, sprzyja konwersji do formy o wysokim powinowactwie, jednocześnie zmieniając konformację wszystkich innych miejsc wiązania białka. Chociaż ligand może wiązać się z dowolną formą, łatwiej jest mu się związać, gdy jest w formie o wysokim powinowactwie.

Model sekwencyjny zakłada, że każda podjednostka białka multimerycznego może istnieć niezależnie w konformacji "włączonej" lub "wyłączonej", czyli w formie o niskim lub wysokim powinowactwie, niezależnie od stanu innych podjednostek. Wiązanie liganda z podjednostką zmienia równowagę między formami o niskim i wysokim powinowactwie, tak że bardziej prawdopodobne jest, że podjednostka będzie w formie o wysokim powinowactwie. Dodatkowo, Wiązanie liganda na jednej podjednostce przesuwa równowagę dla innych podjednostek w białku. Zwiększa to prawdopodobieństwo, że gdy jeden ligand zostanie związany, inny ligand zwiąże się z inną podjednostką. Ta kooperatywność zwiększa wrażliwość białka na stężenie liganda. Wiązanie liganda w jednym miejscu może zmienić powinowactwo do całej cząsteczki białka, umożliwiając w ten sposób szybką reakcję przy niskich stężeniach.