蛋白質是由胺基酸組成的鏈。細胞利用20種標準胺基酸來建構蛋白質。每個胺基酸都具有一個中心碳原子（稱為α碳原子），該碳原子與一個氨基、一個羧基、一個氫原子和一個稱為R基團的側鏈相連。 R基團決定了每種胺基酸的差異。它可以像甘胺酸一樣只有一個氫原子，也可以像色胺酸一樣包含一個吲哚環。

胺基酸透過肽鍵連接在一起。一個胺基酸的羧基與另一個胺基酸的氨基反應，釋放出水分子並形成肽鍵。由此形成的鏈就是多肽。胺基酸的排列順序決定了蛋白質的折疊方式，而折疊後的形狀決定了其功能。單一氨基酸的錯誤替換就可能導致疾病。鐮狀細胞貧血症是由於血紅素中谷氨酸被纈氨酸取代而引起的。

20種標準胺基酸中有9種是必需胺基酸，這意味著人體無法自行合成，必須從食物中取得。其餘9種是非必需胺基酸，人體可自行合成。肉類、蛋類和乳製品中含有完整的蛋白質，包含全部9種必需胺基酸。植物性蛋白質通常缺乏一種或多種必需氨基酸，因此將米飯和豆類等食物搭配食用可以提供完整的蛋白質。

胺基酸也可用作膳食補充劑、增味劑和神經傳導物質的前驅物。谷氨酸是一種興奮性神經傳導物質，也是鮮味的來源。色氨酸是血清素的前驅物。甘胺酸是一種鎮靜性神經傳導物質。