Hämoglobin besteht aus vier Untereinheiten, je 2 a- und b-Ketten mit 141 bzw. 146 Aminosäuren. Es stellt also eine Quartärstruktur dar. Jede Untereinheit bildet acht a-Helices aus, Faltblattstrukturen kommen nicht vor. In jeder Untereinheit ist eine Häm-Gruppe (ein Eisen(II)-Porphyrin-System) als prosthetische Gruppe gebunden.