三级结构是指蛋白质分子的最基本的三级结构单位，由一些局部的氨基酸序列形成。其典型特征是由多肽链上的氨基酸序列在空间上折叠成一定的结构，形成一定的功能域或活性中心。
三级结构的稳定性主要由氢键、疏水作用、离子对等相互作用力维持。
这种结构对蛋白质的生物学功能至关重要，如酶的催化作用、膜蛋白的传递信号等都需要三级结构的支持。
分子大的蛋白质三级结构常可分割成l个或数个球状或纤维状的区域，折叠较为紧密，各行其功能，称为结构域。
4.分子伴侣
是蛋白质合成过程中形成空间结构的控制因子，广泛存在于从细菌到人的细胞中。分子伴侣可逆的与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。
蛋白质三级结构中，肽链折叠卷曲形成的球状、椭圆形等三级结构蛋白质分子，往往形成一个亲水的分子表面和一个疏水的分子内核，靠分子内部疏水键和氢键等来维持其空间结构的相对稳定。有些蛋白质分子的亲水表面上也常有一些疏水微区，或在分子表面形成一些形态各异的“沟”、“槽”或“洞穴”等结构，一些蛋白质的辅基或金属离子往往就结合在其中。例如上述肌红蛋白分子亲水表面上，就有一个疏水洞穴，其中结合着一个含Fe2+的血红素辅基，起着结合并储存氧的功能，供肌肉剧烈收缩氧供应相对不足时释放被利用的需要。而结合了糖、脂的蛋白质分子其三级结构就更复杂了。
具备三级结构的蛋白质从其外形上看，有的细长（长轴比短轴大10倍以上），属于纤维状蛋白质（fibrous protein），如丝心蛋白；有的长短轴相差不多基本上呈球形，属于球状蛋白质（globular protein），如血浆清蛋白、球蛋白、肌红蛋白，球状蛋白的疏水基多聚集在分子的内部，而亲水基则多分布在分子表面，因而球状蛋白质是亲水的，更重要的是，多肽链经过如此盘曲后，可形成某些发挥生物学功能的特定区域，例如酶的活性中心等。
蛋白质三级结构的稳定主要靠次级键，包括氢键、疏水键、盐键以及范德华力（Van der Wasls力）等。这些次级键可存在于一级结构序号相隔很远的氨基酸残基的R基团之间，因此蛋白质的三级结构主要指氨基酸残基的侧链间的结合。次级键都是非共价键，易受环境中pH、温度、离子强度等的影响，有变动的可能性。二硫键不属于次级键，但在某些肽链中能使远隔的二个肽段联系在一起，这对于蛋白质三级结构的稳定上起着重要作用
