חומצות אמינו קשורות זו לזו באמצעות קשרים פפטידיים. קשר פפטידי מקשר את קבוצת הקרבוקסיל של חומצת אמינו אחת לקבוצת האמינו של החומצה האחרת. פפטידים הם שרשראות קצרות של חומצות אמינו, הנעות בין שניים ל-50 מונומרים.קשר פפטידי נוצר באמצעות תגובת דחיסה המשחררת מולקולת מים. כשקבוצת אמינו וקבוצת קרבוקסיל נקשרות זו לזו, התוצאה היא היווצרות של קבוצת אמיד. לקשר הפפטידי יש מבנה מישורי נוקשה ומציג כמה מהתכונות של קשר כפול.זאת משום שהקשר הכפול בקרבוניל יכול ליצור מבנה רזוננס עם הקשר הפפטידי פחמן-חנקן. מבנה רזונסס זה מוביל לירידה באורך הקשר היחיד, לגידול באורך הקשר הכפול ולמניעת ההסיבוב של הקבוצות סביב הקשר הפפטידי. קשרים פפטידיים יכולים להתקיים בתצורות ציס וטרנס.בתצורת ציס, פחמני אלפא נמצאים באותו צד של הקשר הפפטידי, ובתצורה טרנס הם בצדדים נגדיים של הקשר. קשרים פפטידיים מתרחשים בדרך כלל בתצורת טרנס, מלבד כשפרולין תורם את קבוצת האמינו שלו ליצירת קשר. לחומצות אמינו הקשורות באמצעות קשרים פפטידיים יש קצה-N קצה-C.קצה-N הוא הקצה שבו קבוצת האמינו אינה מעורבת ביצירה של קשר פפטידי, וקצה-C הוא הקצה שבו קבוצת הקרבוקסיל אינה מעורבת ביצירה של קשר פפטידי. רצף חומצות האמינו בפפטיד או בחלבון תמיד מתחיל בקצה-N ומסתיים בקצה-C. כששתי חומצות אמינו נקשרות זו לזו באמצעות קשר פפטידי, הן נקראות דיפפטידים.כששלוש וארבע חומצות אמינו נקשרות זו לזו באמצעות קשרים פפטידיים, הן מכונות טריפפטידים וטטרפפטידים, בהתאמה. וכשכמה חומצות אמינו נקשרות זו לזו בקשרים פפטידיים, הן מכונות פוליפפטידים. קשרים פפטידיים ניתנים לפירוק במהירות באמצעות הידרוליזה המבוצעת על ידי זרזים כימיים כגון חומצות או אנזימים הנקראים פרוטאזות.ניתוק קשרים פפטידיים מערב הוספה של מולקולת מים. לחלופין, קשרים אלה יכולים להתנתק באופן ספונטני באמצעות תהליך איטי, בנוכחות מים.