蛋白質是由20種不同氨基酸通過肽鍵連接形成的多聚體，其結構具有多箇層次，從一級結構到四級結構，每一級都決定了蛋白質的功能和三維形狀。
一級結構是指蛋白質分子中氨基酸的排列順序，包括從N端到C端的氨基酸殘基的種類、數量和順序。主要的化學鍵是肽鍵，有些蛋白質還包含二硫鍵。
二級結構是指蛋白質分子中某一段肽鏈的局部空間結構，涉及主鏈原子的空間排布，但不包括側鏈原子的位置。二級結構包括α-螺旋、β-片層（β-摺疊）、β-轉角、無規則捲曲等。維持這些結構的化學鍵主要是氫鍵。
三級結構是指整條多肽鏈中所有氨基酸殘基的相對空間位置，顯示爲長距離效應。化學鍵包括疏水鍵、氫鍵、離子鍵、範德華力等來維持其空間結構的相對穩定。
四級結構是指蛋白質分子中幾條各具獨立三級結構的多肽鏈間相互結集和相互作用，排列形成的更高層次的空間構象。作用力包括亞基間的離子鍵、氫鍵、疏水力，以及範德華力和二硫鍵（如抗體）。
蛋白質的生物合成是在細胞質中的核糖體上通過脫水縮合的方式將氨基酸分子互相連接成肽鏈。