Protein được công nhận là một lớp các phân tử sinh học chuyên biệt bởi Antoine Fourcroy và những người khác vào thế kỷ 18, phân biệt nhờ vào đặc tính của phân tử như đông đặc hoặc lên bông (flocculate) khi xử lý qua nhiệt hoặc axit.[73] Các mẫu được chú ý ở thời điểm đó bao gồm albumin từ lòng trắng trứng, serum albumin máu, fibrin, và gluten hạt lúa mì.

Nhà hóa học người Hà Lan Gerardus Johannes Mulder là người đầu tiên miêu tả về protein và tên gọi này được nhà hóa học người Thụy Điển Jöns Jacob Berzelius đặt vào năm 1838.[74][75] Mulder thực hiện các phân tích sơ cấp về những protein phổ biến và ông tìm thấy gần như mọi protein có cùng một công thức thực nghiệm, C400H620N100O120P1S1.[76] Ông đi đến kết luận sai lầm rằng chúng phải là hỗn hợp của một loại phân tử rất lớn. Thuật ngữ "protein" dùng cho những phân tử này do Berzelius, một đồng nghiệp của Mulder, đề xuất; protein bắt nguồn trong tiếng Hy Lạp πρώτειος (proteios), nghĩa là "sơ cấp",[77] "dẫn đầu", hoặc "đứng phía trước",[78] + -in. Mulder nhận biết được các sản phẩm của sự thoái hóa protein như axit amin leucine mà ông tìm thấy (một cách gần đúng) trọng lượng phân tử bằng 131 Da.[76]

Những nhà dinh dưỡng học thời đầu như Carl von Voit người Đức tin rằng protein là thành phần dinh dưỡng quan trọng nhất để duy trì cấu trúc của cơ thể, bởi vì niềm tin phổ biến thời đấy cho rằng "máu tươi tạo máu tươi" ("flesh makes flesh").[79] Karl Heinrich Ritthausen thêm vào các dạng protein đã biết bao gồm axit glutamic. Ở Trung tâm thí nghiệm nông nghiệp Connecticut (Connecticut Agricultural Experiment Station), nhà hóa học Thomas Burr Osborne đã thực hiện đánh giá chi tiết các loại protein có trong cây trồng. Nghiên cứu cùng Lafayette Mendel và áp dụng quy luật cực tiểu của Liebig khi nuôi chuột thí nghiệm, họ đã thiết lập lên danh mục các axit amino dinh dưỡng thiết yếu. Công trình này được tiếp tục nghiên cứu và trao đổi hợp tác với William Cumming Rose. Hiểu biết protein là các chuỗi polypeptide thông qua nghiên cứu của hai nhà hóa học người Đức Franz Hofmeister và Hermann Emil Fischer vào năm 1902.[80][81] Vai trò trung tâm của protein làm enzyme xúc tác trong sinh vật sống không được đánh giá đầy đủ cho đến tận năm 1926, khi James B. Sumner chỉ ra enzyme urease thực chất là một protein.[82]

Sự khó khăn trong quá trình tinh sạch protein thành lượng lớn khiến các nhà hóa sinh nghiên chúng rất khó khăn ở thời điểm đầu. Do vậy, những nghiên cứu ban đầu tập trung vào những protein được tinh lọc lượng lớn, ví dụ như của máu, lòng trứng trắng, nhiều độc tố khác nhau, và các enzyme tiêu hóa / trao đổi chất lấy từ các lò sát sinh. Trong thập niên 1950, công ty Armour Hot Dog Co. đã lọc được khoảng 1 kg thuần khiết ribonuclease A từ tuyến tụy của bò và cung cấp miễn phí cho các nhà khoa học; nhờ thế mà ribonuclease A trở thành mục tiêu nghiên cứu chính của hóa sinh trong hàng thập kỷ sau đó.[76]

Linus Pauling được ghi nhận là đã đưa ra mô hình dự đoán thành công cấu trúc bậc 2 của các protein đối xứng đều dựa trên liên kết hiđrô, ý tưởng ông lấy từ William Astbury vào năm 1933.[83] Công trình nghiên cứu sau đó của Walter Kauzmann về sự biến tính,[84][85] dựa một phần trên nghiên cứu trước đây của Kaj Linderstrøm-Lang,[86] đóng góp vào hiểu biết quá trình gập protein (protein folding) và cấu trúc trung gian bởi tương tác kị nước.

Protein được giải trình tự đầu tiên là insulin, do Frederick Sanger thực hiện vào năm 1949. Sanger đã xác định đúng trình tự các axit amino của insulin, vì thế chứng minh một cách thuyết phục rằng các protein là những polymer mạch thẳng chứa các axit amino hơn là các mạch nhánh, hệ keo, hoặc cyclol.[87] Ông giành giải Nobel Hóa học cho thành tựu này vào năm 1958.[88]

Cấu trúc protein lần đầu tiên được quan sát là của hemoglobin và myoglobin, do Max Perutz và Sir John Cowdery Kendrew, thực hiện một cách độc lập vào năm 1958.[89][90] Tính đến năm 2017[cập nhật], ngân hàng dữ liệu protein (Protein Data Bank) chứa hơn 126.060 protein có cấu trúc được quan sát ở cấp độ nguyên tử.[91] Trong thời gian gần đây, kỹ thuật hiển vi electron lạnh (cryo-electron microscopy) đối với quá trình lắp ráp đại phân tử[92] và tính toán dự đoán cấu trúc protein (computational protein structure prediction) của các miền protein nhỏ (small protein domain)[93] là hai phương pháp tiếp cận chính trong nghiên cứu cấu trúc protein.