Mỗi nucleotide trong RNA chứa một đường ribose, với cacbon được đánh thứ tự từ 1' đến 5'. Nhìn chung, một base được gắn vào vị trí 1' là adenine (A), cytosine (C), guanine (G), hoặc uracil (U). Adenine và guanine là các purine, cytosine và uracil là các pyrimidine. Một nhóm phosphat gắn vào vị trí 3' của một đường ribose và vào vị trí 5' của đường ribose tiếp theo. Nhóm phosphat tích điện âm, khiến cho RNA là phân tử mang điện (polyanion). Các base tạo thành liên kết hiđrô giữa các cytosine và guanine, giữa adenine và uracil và giữa guanine và uracil.[8] Tuy thế, cũng có thể có những tương tác khác, như một nhóm base adenine liên kết với một nhóm khác trong chỗ phình,[9]hoặc tại vòng bốn (tetraloop) GNRA có liên kết cặp base guanine–adenine.[8]

Một thành phần cấu trúc quan trọng của RNA khác biệt với DNA đó là sự có mặt của nhóm hydroxyl tại vị trí 2' trong đường ribose. Sự có mặt của nhóm chức này làm cho dạng xoắn của RNA có dạng A-hình học (A-form geometry),[10] mặc dù trong trường hợp sợi đơn dinucleotide, có thể hiếm gặp RNA trong dạng B-hình học như quan sát thấy ở hầu hết DNA.[11] Dạng A-hình học khiến cho trên phân tử RNA có rãnh (groove) lớn hẹp và rất sâu và một rãnh nhỏ rộng và nông.[12] Hệ quả thứ hai của sự có mặt nhóm 2'-hydroxyl đó là trong các vùng có hình dáng linh hoạt (conformationally flexible regions) của một phân tử RNA (tức là không tham gia vào sự tạo thành sợi xoắn kép), có thể tấn công hóa học vào liên kết phosphodiester bên cạnh để cắt bộ khung RNA.[13]

RNA được phiên mã chỉ ở bốn base (adenine, cytosine, guanine và uracil),[14] nhưng các base này và nhóm đường gắn cùng có thể được chỉnh sửa theo nhiều cách khi RNA trưởng thành. Ở pseudouridine (Ψ), mà trong đó mối liên kết giữa uracil và ribose bị chuyển từ liên kết C–N thành liên kết C–C, và ribothymidine (T) được tìm thấy ở nhiều nơi (nổi bật nhất là nó xuất hiện ở vòng TΨC của tRNA).[15] Một ví dụ base biến đổi khác đó là hypoxanthine, một base adenine đã khử amin mà nucleoside của nó được gọi là inosine (I). Inosine đóng vai trò quan trọng trong giả thuyết cặp base linh hoạt (wobble hypothesis) của mã di truyền.[16]

Có hơn 100 nucleoside biến đổi xuất hiện trong tự nhiên.[17] Sự đa dạng lớn nhất trong cấu trúc của sửa đổi này có thể tìm thấy ở tRNA,[18] trong khi pseudouridine và nucleoside với 2'-O-methylribose thường có mặt trong rRNA là dạng phổ biến nhất.[19] Các nhà sinh học vẫn chưa hiểu đầy đủ vai trò đặc trưng của nhiều biến đổi này trong RNA. Tuy nhiên, đáng chú ý là, trong RNA ribosome, nhiều thay đổi sau phiên mã xảy ra ở những vùng có chức năng cao như trung tâm peptidyl transferase và giao diện tiểu đơn vị, ngụ ý rằng chúng quan trọng đối với chức năng bình thường.[20]

Dạng chức năng của các phân tử RNA sợi đơn, giống như các protein, thường đòi hỏi một cấu trúc bậc ba cụ thể. Các bộ khung cho cấu trúc này được cung cấp bởi các yếu tố cấu trúc bậc hai là liên kết hydro trong phân tử. Điều này dẫn đến một số "miền" có thể nhận biết được của cấu trúc bậc hai như vòng kẹp tóc (hairpin loop), phình và vòng lặp nội bộ (internal loop).[21] Vì RNA mang điện tích, các ion kim loại như Mg2+ cần thiết có mặt để ổn định nhiều cấu trúc bậc hai và bậc ba của RNA.[22]

Dạng đồng phân lập thể enantiomer xuất hiện tự nhiên của RNA là D-RNA chứa các D-ribonucleotide. Mọi trung tâm đối xứng đều nằm trong D-ribose. Bằng cách sử dụng L-ribose hoặc L-ribonucleotide, có thể tổng hợp được L-RNA. L-RNA có tính ổn định lớn hơn chống lại sự thoái biến của RNase.[23]

Giống như các phân tử sinh học có cấu trúc khác như protein, có thể định nghĩa tô pô của một phân tử RNA đã gập. Điều này thường dựa trên sự sắp xếp các vị trí tiếp xúc nội chuỗi bên trong RNA đã gập, gọi là mạch tô pô (circuit topology).