Die meisten Proteine werden an Ribosomen als lineare Polymere aus Aminosäuren synthetisiert (Primärstruktur). Nach oder während der Synthese falten sich diese Ketten spontan in eine definierte dreidimensionale räumliche Struktur (Tertiärstruktur), die lokale räumliche Strukturen (Sekundärstruktur) enthalten. Bilden sich außerdem noch Oligomere aus mehreren Proteinen in Tertiärstruktur, so spricht man von einer Quartärstruktur.

Die Proteinfaltung ist von großer Bedeutung für die Biologie und ist Objekt intensiver Forschung. Viele Krankheiten gehen auf falsche Faltung zurück, so auch Alzheimer, BSE, CJD, ALS oder Parkinson. Unter normalen Bedingnungen sorgen spezielle Proteine, so genannte Chaperone dafür, daß Fehlfaltungen nicht zu einem Problem werden.

Zur Zeit läuft ein Projekt der Universität Stanford zum Berechnen dieser Faltungen, bei dem Internetuser mithelfen können, indem sie Rechenleistung zur Verfügung stellen: Folding@Home

Bei der Faltung wechselt das Protein vom denaturierten (unstrukturierten oder biologisch nicht funktionsfähigen) Zustand zum nativen (strukturierten oder biologisch funktionsfähigen) Zustand. Den umgekehrten Prozeß nennt man Denaturierung. Bei Faltung und Denaturierung von Proteinen handelt es sich um Phasenübergänge erster Ordnung, d.h. extensive Größen wie Volumen und Wärmeenergie ändern sich sprunghaft.