단백질 분자의 폴리펩티드 사슬과 곁사슬인 아미노산 잔기의 공간적 구조를 포함하는 분자 안의 원자의 3차원적인 구조. X선결정해석 방법으로 밝혀졌다.

단백질 분자를 구성하는 폴리펩티드 사슬은 각 부분이 그 1차구조에 의해 정해진 아미노산 잔기의 입체장애 등과 관련하여 2차 구조를 만들고 그것이 다시 적당한 형태로 접혀 분자 전체의 형태를 만든다.

그 때 소수성인 아미노산 곁사슬은 분자의 안쪽으로 모이고 바깥쪽에는 극성인 곁사슬이 많이 나타난다.

전체의 형태가 단백질의 기능과 중요한 관련을 가진다.

같은 1차구조 분자의 3차구조는 같으나 3차구조가 같은 분자의 1차구조는 반드시 같아야 할 필요는 없다.

단백질 분자가 큰 구성단위의 집합일 때는 그 단위의 집합의 모양을 4차구조라고 할 때도 있다.