这些氨基酸基的排列顺序，就是人类血红蛋白的一级结构。
这些肽链呈现螺旋形结构，这就是二级结构。
而这些肽链在本身呈螺旋形结构的同时，又按照一定的走向卷曲着，形成了三级结构。每个血红蛋白的肽链卷曲之后大致形成一个球形。
三级结构的肽链之间，许多侧链能够近距离对接起来，起到一定的连接作用，使肽链进一步聚集起来，形成四级结构。对于血红蛋白来说，四条肽链相互链接在一起，像四个小球粘在一起，呈一个正四面体的阵形。每个小球被称为血红蛋白的亚单元。
最重要的一点是，人类血红蛋白的三级结构和四级结构是非常稳定的。不会这个血红蛋白亚单元是球形的，另一个是饼形的，这个四级结构是正四面体的，另一个是一条龙的。三级结构和四级结构非常稳定且完全一致，所以所有的血红蛋白都具有相同的生理功能。
其实从生理学上来说，血红蛋白的作用就是把氧气从肺里搬运到组织中，再把组织中的二氧化碳搬运到肺里。为什么在生物进化的过程中，要形成如此大型而结构又如此复杂的分子呢？
人们研究血红蛋白与氧气结合的过程发现，血红蛋白与氧气结合时并不产生氧化还原反应，无论结合氧还是脱氧，血红蛋白中的铁都是二价的。所以把这种现象称为氧气化和脱氧气化，而不是氧化还原。
科学家通过测定氧气化血红蛋白释放氧气的速度，发现：当氧气化血红蛋白进入毛细血管和组织后，环境的氧气压下降，血红蛋白开始释放氧气，而一旦血红蛋白开始释放氧气，则释放氧气的过程会加速进行。
当血红蛋白回到肺中，一旦开始与氧气结合，则氧气的进一步结合会更加容易。这一点对于血液充分吸收氧气，并在组织里彻底释放氧气十分重要。这一结果被称为波阿效应。
经过科学家运用X射线结晶学检测法对氧气化和脱氧气化血红蛋白结构的比较研究，认为血红蛋白中一个血红素基与氧气的结合和脱离都伴随有肽链位置的微小变化，而肽链上一些氨基酸基的相互作用可影响另一些血红素基，加速其与氧气的结合和脱离。因此，血红蛋白被比喻为高效的氧气泵。
这说明肽链的位置并不是不变的，它像真正的设备一样不停地动作。我们可以把一个氨基酸基看成一个零件，那么一个血红蛋白分子，就是由572个零件组成的一个复杂的机器。它不停地高效地在人体内搬运着氧气和二氧化碳。
人类不断地努力探索，到1968年，已经收集到几种哺乳动物的血红蛋白和肌红蛋白的氨基酸序列的资料。总的来看，它们与人血红蛋白有一些不同，但收纳血红素基的‘口袋’几乎总是相同的。
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