Les protéines sont des chaînes d'acides aminés. Il existe 20 acides aminés standard que les cellules utilisent pour construire les protéines. Chacun possède un atome de carbone central, appelé carbone alpha, lié à un groupe amine, un groupe carboxyle, un atome d'hydrogène et une chaîne latérale appelée groupe R. C'est le groupe R qui confère à chaque acide aminé sa spécificité. Il peut être aussi simple qu'un atome d'hydrogène, comme dans la glycine, ou aussi complexe qu'un cycle indole, comme dans le tryptophane.

Les acides aminés s'assemblent par des liaisons peptidiques. Le groupe carboxyle d'un acide aminé réagit avec le groupe amine d'un autre, libérant une molécule d'eau et formant une liaison. La chaîne ainsi formée est un polypeptide. La séquence des acides aminés détermine le repliement de la protéine, et cette conformation détermine sa fonction. Un seul acide aminé incorrect peut provoquer une maladie. La drépanocytose résulte de la substitution d'un seul acide aminé, la valine, par l'acide glutamique dans l'hémoglobine.

Neuf des vingt acides aminés essentiels sont dits indispensables, c'est-à-dire que l'organisme humain ne peut pas les synthétiser et doit les obtenir par l'alimentation. Les autres sont dits non essentiels, c'est-à-dire que le corps peut les synthétiser. Les protéines complètes, présentes dans la viande, les œufs et les produits laitiers, contiennent les neuf acides aminés essentiels. Les protéines végétales sont souvent dépourvues d'un ou plusieurs acides aminés essentiels ; c'est pourquoi l'association d'aliments comme le riz et les légumineuses permet d'obtenir un profil protéique complet.

Les acides aminés sont également utilisés comme compléments alimentaires, exhausteurs de goût et précurseurs de neurotransmetteurs. Le glutamate est un neurotransmetteur excitateur et la source de la saveur umami. Le tryptophane est un précurseur de la sérotonine. La glycine est un neurotransmetteur apaisant.