Xác định cấu trúc protein màng bằng phương pháp tinh thể học tia X, kính hiển vi điện tử hoặc quang phổ NMR.[8] Cấu trúc bậc ba phổ biến nhất của những protein này là dạng bó xoắn (helix bundle) xuyên màng và gấp nếp beta xếp dạng thùng (beta barrel). Phần của các protein màng được gắn vào lớp lipid kép (xem bàiː vỏ lipid vòng) chứa các acid amin hầu hết là kỵ nước.

Các protein màng có bề mặt kỵ nước, tương đối linh hoạt và mật độ tương đối thưa. Đây chính là trở ngại khi tìm đủ protein và nuôi cấy tinh thể các protein này. Mặc dù xác định cấu trúc các protein này có tầm quan trọng trong việc nghiên cứu chức năng của protein màng, tìm ra cấu trúc nguyên tử cho các protein này cần nhiều công sức hơn so với protein hình cầu.[9] Tính đến tháng 1 năm 2013, ít hơn 0,1% cấu trúc protein được xác định là protein màng mặc dù protein màng chiếm 20–30% tổng số proteome.[10][11][12][13]