Proteinler, polipeptit adı verilen bir veya daha fazla amino asit zincirinden oluşur. Bir polipeptit, üç boyutlu bir yapı oluşturmak için hızla kendi üzerine katlanan doğrusal bir zincir olarak sentezlenir. Polipeptit ve protein terimi bazen birbirinin yerine kullanılır, ancak yaygın olarak biyolojik bir işlevi yerine getirebilen katlanmış bir polipeptide protein denir. Bir protein yapısı genellikle dört seviyede tanımlanır: birincil, ikincil, üçüncül ve kuaterner. Çoğu polipeptit, kandaki oksijen taşıyan protein olan hemoglobin gibi genel kompakt, küresel üçüncül yapıya katlanır. Keratin gibi bazı proteinler, genellikle saç ve tırnaklarda bulunan uzun lifler oluşturabilir.

Polipeptit zincirindeki amino asit dizisi, yapısının birincil belirleyicisidir. Amino asit dizisi, ikincil yapıların tipini ve konumunu belirler. Ek olarak, bir proteinin genel üçüncül yapısı, ağırlıklı olarak amino asit yan zincirleri arasındaki kimyasal bağlar —amino asitleri birbirinden ayıran benzersiz kimyasal gruplar— ile ağırlıklı olarak stabilize edilir. Bu yan zincirler ya pozitif ya da negatif yüklüdür, polar ya da nonpolardır.

Amino asitler, yan zincir gruplarına bağlı olarak benzersiz fiziksel ve kimyasal özelliklere sahiptir. Örneğin, polar ve yüklü amino asitler, hidrojen bağları oluşturmak için suyla etkileşime girer ve hidrofilik ; olarak adlandırılırken, polar olmayan amino asitler suyla etkileşimleri önler ve hidrofobik olarak adlandırılır. Bu nedenle, bir protein hücresel bir ortamda katlandığında, hidrofobik amino asitlerin yan zincirleri, sulu çevreden uzakta proteinin çekirdeğine gömülür, hidrofilik amino asitler yan zincirleri ise proteinin yüzeyinde açığa çıkar.

Protein çekirdeğindeki sıkıca paketlenmiş hidrofobik amino asitler, yan zincir grupları arasında zayıf Van der Waals etkileşimlerinin oluşmasına neden olur. Bu Van der Waals kuvvetlerinin varlığı, katlanmış proteine ilave stabilite kazandırır. Proteinin yüzeyinde açığa çıkan polar amino asitler, su molekülleri veya diğer polar amino asit yan zincirleri ile hidrojen bağları oluşturmakta serbesttir. Pozitif ve negatif yüklü amino asitler aynı zamanda bir proteinin dış kısmında da bulunur ve burada diğer yakın, zıt yüklü amino asitlerle iyonik bağlar oluştururlar.

Disülfür bağları, sistein amino asidi üzerinde iki sülfhidril veya SH grubu arasında oluşur. Bu, katlanmış protein üzerinde takviye görevi gören çok güçlü bir etkileşimdir. Disülfür bağlarının varlığı, katlanmış proteini en çok tercih edilen üç boyutlu yapısında kilitler. Bir proteinin uygun şekilde katlanması, pH, tuz konsantrasyonu, sıcaklık vb. gibi hücresel ortamın diğer faktörlerine de bağlıdır. Bir protein ortamında fiziksel ve kimyasal koşulların değişmesi, proteini bir arada tutan kimyasal etkileşimleri etkiler ve proteinin yanlış katlanmasına neden olabilir ya da biyolojik işlevini —protein denatürasyonu olarak bilinen bir süreç— açığa çıkarır ve kaybeder.