蛋白質的三級結構（tertiary structure）是指多肽鏈中所有原子和基團的構象。它是在二級結構的基礎上進一步盤曲摺疊形成的，包括所有主鏈和側鏈的結構。
哺乳動物肌肉中的肌紅蛋白整個分子由一條肽鏈盤繞成一個中空的球狀結構，全鏈共有8段α螺旋，各段之間以無規捲曲相連。在螺旋肽段之間有一個疏水性的空穴，是用來放置血紅素基團的。三級結構是蛋白質發揮生物活性所必須的，所以蛋白質變性時生物功能會受到破壞。
肌紅蛋白的三級結構在三級結構中，多肽鏈的盤曲摺疊是由分子中各胺基酸殘基的側鏈相互作用來維持的。二硫鍵是維持三級結構唯一的一種共價鍵，能把肽鏈的不同區段牢固地連接在一起，對於整體構象的穩定起著重要作用。一般二硫鍵的改變引起的失活也可看作變性。
胰島素中的三個二硫鍵，引自百度百科疏水性較強的胺基酸一般通過疏水鍵和範德華力聚集成緊密的疏水核，而極性殘基之間往往以氫鍵和鹽鍵相互結合。在水溶性蛋白中，極性基團分布在外側，與水形成氫鍵，使蛋白溶於水。這些非共價鍵統稱次級鍵，雖然單個鍵的強度較弱，但總體數目龐大，而且彼此協同，所以仍然是維持三級結構的主要力量。
較大蛋白質的三級結構往往由幾個相對獨立的三維實體構成，這些三維實體稱為結構域（domain）。結構域是在三級結構與超二級結構之間的一個組織層次。一條長的多肽鏈，可先摺疊成幾個相對獨立的結構域，再締合成三級結構。這在動力學上比直接摺疊更為合理。
各結構域之間常常只有一段肽鏈相連，稱為鉸鏈區。鉸鏈區柔性較強，使結構域之間容易發生相對運動，所以酶的活性中心常位於結構域之間。小蛋白多由一個結構域構成，由多個結構域構成的蛋白一般分子量大，結構複雜。
IgG Fc段的兩個結構域通過鉸鏈區相連結構域不僅在空間上相對獨立，往往也具有相對獨立的生理功能。例如，很多脫氫酶含有兩個結構域，一個負責結合輔酶，另一個負責催化。轉錄因子經常含有DNA結合結構域（BD）和轉錄激活結構域（AD），做過酵母雙雜交的同學會比較熟悉。在一些凝血因子中含有與γ-羧基穀氨酸有關的Gla結構域。一些轉錄因子具有鋅指結構域。還有與殘基修飾有關的結構域、與酶原激活有關的結構域等等。
GAPDH的亞基含有兩個結構域結構域可以說是蛋白質結構與功能的基本單位，結構域的組合是形成複雜蛋白的主要方式。在研究一個未知蛋白的功能時，對其保守結構域的分析經常可以提供一個探索方向。在蛋白質的進化過程中，結構域的重複、重組和轉移起到了非常重要的作用。現在關於蛋白質結構域和進化方面的研究也有很多。
蛋白質結構域和進化方面的研究