Les protéines sont des polymères constitués par les vingt acides aminés naturels. Les résidus d'acides aminés sont liés par liaison peptique.

La succession des résidus aminoacyl dans la structure d'une protéine s'appelle la séquence et constitue la structure primaire de la protéine.

Le groupe de 6 atomes engagés dans la liaison peptidique ( les 2 C alpha, N-H, C =O) ou groupe peptidique est polaire La présence de deux atomes électronégatifs entraîne une hybridation par résonance de la double liaison (tautomérie). Ceci confère au groupe peptidique le caractère plan. Le plan formé s'appelle le plan amide.

Dans le plan amide l'atome O (de C=O) et l'atome H (de N-H) sont préferentiellement en position trans.

L'assemblage des plans amide dans l'espace constitue la structure secondaire de la protéine. Les types de structure secondaire stables sont l'hélice alpha et le feuillet béta.

Les hélices et feuillets se ré-arrangent dans l'espace en une structure plus compacte qui est la structure tertiaire de la protéine.
Les protéines solubles se replient en une structure grosso modo en modules sphériques, c'est la structure globulaire. Les enzymes et de nombreuses autres protéines sont globulaires. La structure globulaire se caractérise par une surface hydrophile et un noyau interne hydrophobe.
Les protéines insolubles dans l'eau s'associent sous forme de fibres. On les dénomme protéines fibreuses. Elles ont un rôle structural important.

La structure quaternaire des protéines est constituée par un assemblage de sous-unités (structure oligomèrique). Les sous unités peuvent être semblables ou différentes.