As proteínas são cadeias de aminoácidos. Existem 20 aminoácidos padrão que as células utilizam para construir proteínas. Cada um possui um carbono central, denominado carbono alfa, ligado a um grupo amino, um grupo carboxilo, um átomo de hidrogénio e uma cadeia lateral denominada grupo R. O grupo R é o que diferencia cada aminoácido. Pode ser tão simples como um átomo de hidrogénio, como na glicina, ou tão complexo como um anel indol, como no triptofano.

Os aminoácidos ligam-se entre si através de ligações peptídicas. O grupo carboxilo de um aminoácido reage com o grupo amino de outro, libertando água e formando uma ligação. A cadeia resultante é um polipeptídeo. A sequência de aminoácidos determina a forma como a proteína se dobra, e a forma dobrada determina a sua função. Um único aminoácido incorreto pode causar doença. A anemia falciforme resulta da substituição de um único aminoácido por valina em vez do ácido glutâmico na hemoglobina.

Nove dos 20 aminoácidos padrão são essenciais, o que significa que os humanos não os conseguem produzir e têm de os obter através da alimentação. Os restantes são não essenciais, ou seja, o organismo consegue sintetizá-los. As proteínas completas, encontradas na carne, ovos e produtos lácteos, contêm todos os nove aminoácidos essenciais. As proteínas vegetais carecem frequentemente de um ou mais deles, e é por isso que a combinação de alimentos como o arroz e o feijão proporciona um perfil proteico completo.

Os aminoácidos são também utilizados como suplementos, intensificadores de sabor e precursores de neurotransmissores. O glutamato é um neurotransmissor excitatório e a fonte do sabor umami. O triptofano é um precursor da serotonina. A glicina é um neurotransmissor calmante.