鐵蛋白的分子結構是由一層蛋白殼圍繞著鐵和磷酸鹽分子組成的鐵核，外徑12～13nm，分子量500kDa。從不同來源（如人、馬、牛蛙和細菌等）的鐵蛋白結構特征來看，所有的鐵蛋白雖然在一級結構上變化很大（氨基酸序列相似性有時才達到14%），但本質上都有相同的體系結構。
蛋白殼均為由24個亞基以高度對稱性方式組成的內空心結構，空心直徑約為8nm，其中的氫氧化鐵核中可積累多達4000個鐵原子且不影響蛋白表面和與其它分子的相互作用；
蛋白亞基中包括亞鐵氧化的接觸反應位點和與溶劑進行交換的親水小孔。
