Protein adalah rantai asam amino. Terdapat 20 asam amino standar yang digunakan sel untuk membangun protein. Masing-masing memiliki karbon pusat, yang disebut karbon alfa, yang terikat pada gugus amino, gugus karboksil, atom hidrogen, dan rantai samping yang disebut gugus R. Gugus R inilah yang membuat setiap asam amino berbeda. Gugus R dapat sesederhana atom hidrogen, seperti pada glisin, atau serumit cincin indol, seperti pada triptofan.

Asam amino terhubung satu sama lain melalui ikatan peptida. Gugus karboksil dari satu asam amino bereaksi dengan gugus amino dari asam amino lainnya, melepaskan air dan membentuk ikatan. Rantai yang dihasilkan adalah polipeptida. Urutan asam amino menentukan bagaimana protein melipat, dan bentuk lipatan menentukan fungsinya. Satu asam amino yang salah dapat menyebabkan penyakit. Anemia sel sabit disebabkan oleh substitusi tunggal valin untuk asam glutamat dalam hemoglobin.

Sembilan dari 20 asam amino standar adalah esensial, artinya manusia tidak dapat memproduksinya sendiri dan harus mendapatkannya dari makanan. Asam amino lainnya adalah non-esensial, artinya tubuh dapat mensintesisnya. Protein lengkap, yang ditemukan dalam daging, telur, dan produk susu, mengandung semua sembilan asam amino esensial. Protein nabati seringkali kekurangan satu atau lebih asam amino esensial, itulah sebabnya kombinasi makanan seperti nasi dan kacang-kacangan memberikan profil protein yang lengkap.

Asam amino juga digunakan sebagai suplemen, penambah rasa, dan prekursor neurotransmiter. Glutamat adalah neurotransmiter perangsang dan sumber rasa umami. Triptofan adalah prekursor serotonin. Glisin adalah neurotransmiter penenang.