חלבון הוא ביופולימר המורכב מחומצות אמינו כיחידה הבסיסית.

רצף חומצות האמינו על מולקולות חלבון והמבנה התלת מימדי שנוצר מהווים את מגוון מבני החלבון. לחלבונים יש מבנים ראשוניים, משניים, שלישוניים ורבעוניים, ומבנה מולקולות החלבון קובע את תפקידו.
מבנה ראשוני: הסדר שבו מסודרים שיירי חומצות אמינו בשרשרת הפפטידים החלבון נקרא המבנה הראשוני של החלבון, ולכל חלבון רצף חומצות אמינו עצמאי ומדויק. קשרי פפטיד הם הקשרים הכימיים העיקריים המקשרים בין שאריות חומצות אמינו במבנים ראשוניים, וחלק מהחלבונים כוללים גם קשרי דיסולפיד.
מבנה משני: שרשרת הפפטידים במולקולת החלבון אינה שרשרת ישרה, אלא מסולסלת (כגון מבנה סליל) או מקופלת (כגון מבנה מקופל) ליצירת מבנה מרחבי ספציפי לפי כללים מסוימים, שהוא המבנה המשני של חלבונים. המבנה המשני של חלבונים מושג בעיקר על ידי קשרי מימן הנוצרים בין אטומי מימן על שיירי חומצות אמינו imino (-NH-) ואטומי חמצן על קבוצות קרבוניל בשרשרת הפפטידים. המבנה המשני לובש צורה של -helix, -fold, -corner, Ω-ring. ביניהם, ה-helix הוא מבנה משני נפוץ, ורובם ספירלות ימניות. -קפל היא שרשרת פוליפפטידית היוצרת מבנה יריעה, המשוננת. -פינות ו-Ω-לולאות נמצאות בחלבונים כדוריים.
מבנה שלישוני: על בסיס המבנה המשני, גם שרשרת הפפטידים יוצרת עוד מבנה שלישוני מורכב יותר לפי מבנה מרחבי מסוים. דרך המבנה הזה מיוגלובין, המוגלובין וכו' הופכים את החורים על פני השטח שלו רק להחזיק מולקולת heme. הכוחות השומרים על המבנה השלישוני של חלבונים כדוריים כוללים קשרי מלח, קשרי מימן, השפעות הידרופוביות וכוחות ואן דר ואלס, המכונים ביחד קשרים משניים. בנוסף, קשרי דיסולפיד ממלאים גם תפקיד חשוב בייצוב המבנה המרחבי של חלבונים מסוימים.
מבנה רבעוני: המבנה המצטבר שנוצר על ידי שרשראות הפוליפפטיד בעלות מבנה שלישוני נקרא המבנה הרבעוני של החלבון. לדוגמה, המוגלובין מורכב מ-4 שרשראות פוליפפטידיות בעלות מבנה שלישוני, שתיים מהן -שרשרות, שתיים אחרות הן -שרשרות, והמבנה הרבעוני שלו דומה לצורת אליפסואיד.
שיטת חיבור