蛋白质的三级结构是在二级结构的基础上进一步折叠、盘曲成更复杂的立体结构。三级结构主要由氨基酸残基侧链基团之间相互作用所形成的次级键来维持稳定。这些次级键主要是盐键、氢键、疏水键和二硫键等。多数蛋白质三级结构的构象近似球形，分子中的亲水基团相对集中在分子内部。因为不同蛋白质的氨基酸残基侧链基团不同，所以各种蛋白质三级结构构象也各不相同，并与其功能密切相关，其三级结构均具备生物学活性。

例如，肌红蛋白是哺乳动物肌肉中输送氧的蛋白质，它在功能和结构上和血红蛋白极为相近。肌红蛋白由一条多肽链构成，有153个氨基酸残基和一个血红素辅基。多肽链经过8次折叠弯曲，其中5段多肽链形成α-螺旋，盘绕成为一个球状蛋白，即为其三级结构，该三级结构就是一完整的肌红蛋白分子，起输送氧的作用。