חלבונים הם פולימרים ביולוגיים הבנויים מחומצות אמינו המחוברים יחד ליצירת פפטידים. תת יחידות פפטידים אלה עשויות להתקשר עם פפטידים אחרים ליצירת מבנים מורכבים יותר. סוגים רבים של קשרים כימיים מחזיקים חלבונים זה בזה ומחברים אותם למולקולות אחרות. עיין מקרוב ב- קשרים כימים אחראי על מבנה החלבון.
המבנה העיקרי של חלבון מורכב חומצות אמינו כבולים זה בזה. לחומצות אמינו מצטרפות קשרי פפטיד. קשר לפפטיד הוא סוג של קשר קוולנטי בין קבוצת הקרבוקסיל של חומצת אמינו אחת לקבוצת האמינו של חומצה אמינית אחרת. חומצות אמינו עצמן עשויות אטומים המחוברים יחד על ידי קשרים קוולנטיים.
המבנה המשני מתאר את הקיפול או הסליל התלת ממדי של שרשרת חומצות אמינו (למשל, גיליון קפלים בטא, סליל אלפא). צורה תלת מימדית זו מוחזקת במקום על ידי קשרי מימן. קשר מימן הוא אינטראקציה דיפול-דיפול בין אטום מימן לבין אטום אלקטרונגטיבי, כמו חנקן או חמצן. שרשרת פוליפפטיד יחידה עשויה להכיל אזורי גיליון אלפא-סליל מרובים וקפלים בטא.
כל סליל אלפא מיוצב על ידי קשירת מימן בין קבוצות האמין והקרבוניל באותה שרשרת פוליפפטיד. הסדין קפלי בטא מתייצב על ידי קשרי מימן בין קבוצות אמין של שרשרת פוליפפטיד אחת וקבוצות קרבוניל בשרשרת השנייה הסמוכה.
בעוד שמבנה משני מתאר את צורת שרשראות חומצות האמינו בחלל, מבנה שלישוני היא הצורה הכללית שמונחה על ידי המולקולה כולה, שעשויה להכיל אזורים של שני הסדינים וגם סלילים. אם חלבון מורכב משרשרת פוליפפטיד אחת, מבנה שלישוני הוא רמת המבנה הגבוהה ביותר. קשירת מימן משפיעה על המבנה השלישוני של חלבון. כמו כן, קבוצת R של כל חומצת אמינו עשויה להיות הידרופובית או הידרופילית.
חלבונים מסוימים עשויים תת יחידות בהן חלבון מולקולות מתחברות זו לזו ויוצרות יחידה גדולה יותר. דוגמה לחלבון כזה היא המוגלובין. המבנה הרבעוני מתאר כיצד יחידות המשנה משתלבות זו בזו ליצירת המולקולה הגדולה יותר.