蛋白质是由氨基酸组成的链。细胞利用20种标准氨基酸来构建蛋白质。每种氨基酸都具有一个中心碳原子（称为α碳原子），该碳原子与一个氨基、一个羧基、一个氢原子和一个称为R基团的侧链相连。R基团决定了每种氨基酸的差异。它可以像甘氨酸那样只有一个氢原子，也可以像色氨酸那样包含一个吲哚环。

氨基酸通过肽键连接在一起。一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基反应，释放出水分子并形成肽键。由此形成的链就是多肽。氨基酸的排列顺序决定了蛋白质的折叠方式，而折叠后的形状决定了其功能。单个氨基酸的错误替换就可能导致疾病。镰状细胞贫血症就是由于血红蛋白中谷氨酸被缬氨酸取代而引起的。

20种标准氨基酸中有9种是必需氨基酸，这意味着人体无法自行合成，必须从食物中获取。其余9种是非必需氨基酸，人体可以自行合成。肉类、蛋类和乳制品中含有完整的蛋白质，包含全部9种必需氨基酸。植物蛋白通常缺乏一种或多种必需氨基酸，因此将米饭和豆类等食物搭配食用可以提供完整的蛋白质。

氨基酸还可用作膳食补充剂、增味剂和神经递质的前体。谷氨酸是一种兴奋性神经递质，也是鲜味的来源。色氨酸是血清素的前体。甘氨酸是一种镇静性神经递质。