血红蛋白分子是由两个α-亚基和两个β-亚基构成的四聚体（α2β2）。每个亚基都包括一条肽链和一个血红素辅基，与肌红蛋白（只有三级结构）很相似。血红素位于每个亚基的空穴中，血红素中央的Fe2+是氧结合部位，可以结合一个氧分子。每个血红蛋白分子能与4个O2进行可逆结合。