폴리펩타이드 사슬은 접혀져서 3차 구조를 이룬다
3차 구조는 폴리펩타이드 사슬의 전체적 형태, 즉 모든 아미노산 잔기의 3차원 배열을 의미한다. 2차 구조는 수소 결합에 의해 안정화되는 데 반해 3차 구조는 비극성 사이드 사슬 간의 소수성 상호작용, 그리고 극성 사이드 사슬과 골격 아미노기, 카복실기 간의 수소 결합에 의해서 안정화된다. 3차 구조를 안정화 하는 힘은 2차 구조의 요소들, 즉 알파 헬릭스, 베타 가닥, 턴, 무작위 코일을 단단하게 결합시킨다. 그러나 구조를 안정화하는 힘은 약하기 때문에 단백질의 3차 구조는 엄격하게 고정되어 있지 않고 지속적으로 미세하게 변화한다. 어떤 단백질의 3차 구조 안에 있는 어떤 부분은 너무나 유동적이어서 질서가 없는 것처럼 보인다. 구조의 이런 변이는 단백질의 기능과 조절에 중대한 영향을 준다.
아미노산 곁사슬의 화학적 성질에 따라 3차 구조가 결정된다. 어떤 단백질의 경우 시스테인 잔기의 곁사슬 사이의 이황화 결합이 형성되면 단백질의 특정 부분들끼리 서로 연결되기 때문에 단백질의 유동성은 둔화되면서 3차 구조의 안정성은 증가한다. 전하를 띤 친수성 극정 곁사슬을 가지는 아미노산은 단백질의 외부 표면에 존재하는 경향이 있다. 따라서 물과 작용하여 단백질이 수용성 용액에 녹을 수 있게 하며, 물에 녹을 수 있는 분자 또는 다른 수용성 단백질들과 비공유결합으로 상호 결합을 할 수 있게 된다. 반면에 소수성 무극성 곁사슬을 가진 아미노산의 경우는 단백질에서 물과 접촉하는 부분이 아닌 물에 녹지 않는 중심부를 형성한다. 물을 싫어하는 소수성 또는 기름진 코어 때문에 단백질 형태의 "기름 방울 모델" 이라고 부른다. 전하를 띠지 않는 친수성 극성 곁사슬은 단백질의 표면이나 내부 중심부 모두에 존재한다.
단백질은 3차 구조의 특징에 따라 세 가지, 즉 구형 단백질, 섬유성 단백질, 통합 막 단백질으로 나눌 수 있다. 구형 단백질은 대체로 물에 녹고, 단단하게 접힌 구조를 가지며, 항상은 아니지만 보통 2차 구조가 혼합되어 이루어진 회전 타원체의 구조를 가진다. 섬유성 단백질은 크로 긴 단단한 분자로 이루어져 있다. 어떤 섬유성 단백질은 반복되는 2차 구조를 이루는 짧은 아미노산 서열이 여러 번 반복되어 존재하는 폴리펩타이드로 이루어져 있다. 다른 섬유성 단백질은 구형 단백질 서브유닛이 반복적으로 연결되어 이루어지기도 한다. 예를 들면, G-actin 단백질 단일체가 나선형으로 배열하여 F-actin 마이크로필라멘트를 형성한다. 섬유성 단백질은 모여서 물에 녹지 않는 거대 다중단백질섬유를 형성하여 세포 이동에 참여하기도 하고 구조적 역할을 수행하기도 한다. 통합 막 단백질은 세포와 세포소기관을 둘러싸고 있는 막의 인지질 이중막 안에 묻혀 있다. 이 세 가지 종류의 단백질 분류는 서로 배타적이지 않기 때문에 어던 단백질은 2개나 세 가지 종류에 동시에 속하기도 한다.
단백질의 형태를 묘사하는 방법에 따라 전달하는 정보도 달라진다
3차원 구조를 표현하는 가장 간단한 방법은 골격 원자, 때로는 알파 탄소의 경로를 직선으로 그리는 것이고, 가장 복잡한 모델은 모든 원자를 자세히 표시하는 것이다. 앞의 방법에서 보이는 알파 탄소는 아미노산의 곁사슬을 고려하지 않고 폴리펩타이드 사슬의 전체적인 접힘을 보여준다. 후자의 ball-and-stick 모델은 골격 원자 뿐만 아니라 단백질의 형태를 안정화시키는 곁사슬 원자 간의 상호 결합도 자세히 나타낸다. 두 가지 방법 모두 유용하지만 2차 구조들은 쉽게 구분할 수 없다. 또 다른 방법은 간단한 상징으로 2차 구조를 나타내는 것이다. 예를 들면 꼬인 리본이나 원통 모양은 알파 나선을, 납작한 리본이나 화살표는 베타 가닥을, 가변형의 가는 선은 베타 턴, 루프와 코일을 나타낸다. 리본 다이어그램의 변형으로 ball-and-stick이나 space-filling 모델의 곁사슬의 전체 또는 일부분을 골격 리본에 추가하여 나타낼 수 있다. 이러한 방법으로 단백질의 2차 구조를 가장 잘 표현하는 리본 모형 위에 원하는 부분의 곁사슬을 추가하여 나타내기도 한다.
그러나 단백질 구조를 표현하는 위의 세 가지 방법 어느 것도 다른 분자와 결합하는 단백질 부위의 표면에 관한 정보를 나타내지는 못한다. 컴퓨터 분석으로 단백질의 표면 중 물 분자와 접촉하는 단백질 표면을 구성하는 원자를 알 수 있다. 물 분자가 접근 간으한 단백질의 표면을 공통적인 화학적 특성과 전기적 특징에 따라 색깔로 나타낼 수 있다. 이런 모델은 작은 분자들이 결합할 수 있는 표면의 작은 홈뿐만 아니라 다른 분자들과 결합하는 데 중요한 단백질 표면의 형태와 전하의 분포 등을 표시함으로써 특정 단백질이 다른 분자에 의해 인지되는 형태 그대로를 잘 나타낼 수 있다.