蛋白质的三级结构（tertiary structure）是指多肽链中所有原子和基团的构象。它是在二级结构的基础上进一步盘曲折叠形成的，包括所有主链和侧链的结构。
哺乳动物肌肉中的肌红蛋白整个分子由一条肽链盘绕成一个中空的球状结构，全链共有8段α螺旋，各段之间以无规卷曲相连。在螺旋肽段之间有一个疏水性的空穴，是用来放置血红素基团的。三级结构是蛋白质发挥生物活性所必须的，所以蛋白质变性时生物功能会受到破坏。
肌红蛋白的三级结构
在三级结构中，多肽链的盘曲折叠是由分子中各氨基酸残基的侧链相互作用来维持的。二硫键是维持三级结构唯一的一种共价键，能把肽链的不同区段牢固地连接在一起，对于整体构象的稳定起着重要作用。一般二硫键的改变引起的失活也可看作变性。
胰岛素中的二硫键，引自百度百科
疏水性较强的氨基酸一般通过疏水键和范德华力聚集成紧密的疏水核，而极性残基之间往往以氢键和盐键相互结合。在水溶性蛋白中，极性基团分布在外侧，与水形成氢键，使蛋白溶于水。这些非共价键统称次级键，虽然单个键的强度较弱，但总体数目庞大，而且彼此协同，所以仍然是维持三级结构的主要力量。
较大蛋白质的三级结构往往由几个相对独立的三维实体构成，这些三维实体称为结构域（domain）。结构域是在三级结构与超二级结构之间的一个组织层次。一条长的多肽链，可先折叠成几个相对独立的结构域，再缔合成三级结构。这在动力学上比直接折叠更为合理。
各结构域之间常常只有一段肽链相连，称为铰链区。铰链区柔性较强，使结构域之间容易发生相对运动，所以酶的活性中心常位于结构域之间。小蛋白多由一个结构域构成，由多个结构域构成的蛋白一般分子量大，结构复杂。
IgG Fc段的两个结构域通过铰链区相连
结构域不仅在空间上相对独立，往往也具有相对独立的生理功能。例如，很多脱氢酶含有两个结构域，一个负责结合辅酶，另一个负责催化。转录因子经常含有DNA结合结构域（BD）和转录激活结构域（AD），做过酵母双杂交的同学会比较熟悉。在一些凝血因子中含有与γ-羧基谷氨酸有关的Gla结构域。一些转录因子具有锌指结构域。还有与残基修饰有关的结构域、与酶原激活有关的结构域等等。
GAPDH亚基的两个结构域，左侧为辅酶结合结构域
结构域可以说是蛋白质结构与功能的基本单位，结构域的组合是形成复杂蛋白的主要方式。在研究一个未知蛋白的功能时，对其保守结构域的分析经常可以提供一个探索方向。在蛋白质的进化过程中，结构域的重复、*和转移起到了非常重要的作用。现在关于蛋白质结构域和进化方面的研究也有很多。
蛋白质结构域和进化方面的研究很多
