Struktur protein adalah susunan tiga dimensi atom-atom dalam molekul protein, yang merupakan rantai asam amino. Untuk menjalankan fungsi biologinya, protein "melipat" menjadi satu atau lebih struktur tiga dimensi yang dipengaruhi oleh sejumlah interaksi non kovalen, seperti ikatan hidrogen, interaksi ionik, gaya van der Waals, dan tumpukan hidrofobik. Untuk mengetahui cara kerja protein dalam level molekul, ilmuwan sering harus mengetahui terlebih dahulu struktur tiga dimensinya. Hal ini menjadi topik dalam bidang biologi struktur, yang menggunakan teknik-teknik seperti kristalografi sinar X, spektroskopi NMR, mikroskopi elektron kriogenik, dan interferometri polarisasi ganda untuk mencari tahu struktur protein.
Struktur protein dapat dijabarkan dalam empat tingkat yang berbeda. Struktur primer protein merupakan urutan asam-asam amino dalam rantai polipeptida. Struktur sekunder protein merupakan substruktur lokal teratur dalam rantai utama, contohnya adalah struktur heliks alfa atau lembaran beta.Struktur tersier protein adalah struktur tiga dimensi yang dibentuk dari struktur-struktur sekunder yang melipat bersama. Struktur kuartener protein merupakan gabungan dari satu atau lebih rantai polipeptida yang beroperasi sebagai satu satuan.
Struktur protein berkisar dari ukuran puluhan hingga ribuan asam amino. Berdasarkan besarnya, protein termasuk ke dalam nanopartikel (ukuruan 1–100 nm). Sejumlah protein juga dapat berkumpul menjadi strukur yang sangat besar, misalnya mikrofilamen yang terdiri dari ribuan molekul protein yang disebut aktin. Protein umumnya dapat mengalami perubahan struktur reversibel dalam menjalankan fungsi bologinya. Struktur alternatif dari sebuah protein yang sama disebut sebagai Isomer konformasi (atau konformer), dan perubahan dari satu konformer ke konformer lain disebut perubahan konformasi.