Protein là chuỗi các axit amin. Có 20 axit amin tiêu chuẩn mà tế bào sử dụng để xây dựng protein. Mỗi axit amin có một nguyên tử carbon trung tâm, được gọi là carbon alpha, liên kết với một nhóm amino, một nhóm carboxyl, một nguyên tử hydro và một chuỗi bên gọi là nhóm R. Nhóm R là yếu tố tạo nên sự khác biệt giữa mỗi axit amin. Nó có thể đơn giản chỉ là một nguyên tử hydro, như trong glycine, hoặc phức tạp như một vòng indole, như trong tryptophan.

Các axit amin liên kết với nhau thông qua liên kết peptit. Nhóm carboxyl của một axit amin phản ứng với nhóm amino của một axit amin khác, giải phóng nước và tạo thành liên kết. Chuỗi tạo thành là một polypeptide. Trình tự các axit amin quyết định cách protein gấp lại, và hình dạng gấp lại quyết định chức năng của nó. Chỉ một axit amin sai cũng có thể gây bệnh. Bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm là do sự thay thế một axit amin valine cho axit glutamic trong hemoglobin.

Chín trong số 20 axit amin tiêu chuẩn là thiết yếu, có nghĩa là cơ thể người không thể tự tổng hợp chúng mà phải thu nhận từ thực phẩm. Các axit amin còn lại là không thiết yếu, có nghĩa là cơ thể có thể tự tổng hợp chúng. Protein hoàn chỉnh, có trong thịt, trứng và các sản phẩm từ sữa, chứa đầy đủ chín axit amin thiết yếu. Protein thực vật thường thiếu một hoặc nhiều axit amin thiết yếu, đó là lý do tại sao việc kết hợp các loại thực phẩm như gạo và đậu cung cấp một hồ sơ protein hoàn chỉnh.

Axit amin cũng được sử dụng làm chất bổ sung, chất tăng hương vị và tiền chất của các chất dẫn truyền thần kinh. Glutamate là một chất dẫn truyền thần kinh kích thích và là nguồn gốc của vị umami. Tryptophan là tiền chất của serotonin. Glycine là một chất dẫn truyền thần kinh có tác dụng làm dịu.