La secuencia lineal de aminoácidos de una proteína representa a su estructura primaria. Cuando en la cadena polipeptídica se establecen puentes de hidrógeno entre sus aminoácidos y los ángulos que flanquean a los enlaces peptídicos del esqueleto son regulares, adquiere una estructura secundaria en α-hélice o en β-lámina. La interacción entre los aminoácidos de la α-hélice y la β-lámina produce la estructura terciaria que es la forma en la que la proteína se dispone en el espacio; esto ocurre al establecerse puentes eléctricos e interacciones hidrofóbicas entre los residuos de los aminoácidos, así como puentes disulfuro entre dos cisteínas. La estructura cuaternaria está definida por la interacción de dos o más cadenas polipeptídicas que integran a una proteína, como la hemoglobina, que está formada por dos cadenas alfa y dos beta Imagen.
 
Las proteínas pueden ser holoproteínas, compuestas sólo por polímeros de aminoácidos, o heteroproteínas, esto es, que contienen biomoléculas no proteicas como lípidos, carbohidratos o ácidos nucleicos, que se añaden por modificaciones postraduccionales Tabla. Dentro de las holoproteínas se encuentran las proteínas fibrosas, que son proteínas que suelen jugar un papel estructural y son insolubles en agua, como la colágena de tejido conectivo; y las proteínas globulares, que son solubles en agua. Éstas se encuentran en citoplasma, lumen, matriz y membrana, un ejemplo es la acetilcolinesterasa.