每1Hb分子由1个珠蛋白和4个血红素（又称亚铁原卟啉）组成（图5-12）。每个血红素又由4个吡咯基组成一个环，中心为一铁原子。每个珠蛋白有4条多肽链，每条多肽链与1个血红至少连接构成Hb的单体或亚单位。Hb是由4个单体构成的四聚体。不同Hb分子的珠蛋白的多肽链的组成不同。成年人Hb（HbA）的多肽链是2条α链和2条β链，为α₂β₂结构。胎儿Hb（HbF）是2条α链和2条γ链，为α₂γ₂结构。出生后不久HbF即为HbFA所取代。多肽链中氨基酸的排列顺序已经清楚。每条α链含141个氨基酸残基，每条β链含146个氨在酸残基。血红素的Fe2+均连接在多肽链的组氨基酸残基上，这个组氨酸残基若被其它氨基酸取代，或其邻近的氨基酸有所改变，都会影响Hb的功能。可见蛋白质结构和功能密切相关。

Hb的4个单位之间和亚单位内部由盐键连接。Hb与O₂的结合或解离将影响盐键的形成或断裂，使Hb四级结构的构型发生改变，Hb与O₂的亲和力也随之而变，这是Hb氧离曲线呈S形和波尔效应的基础（见下文）。

图5-12 血红蛋白组成示意图