天然蛋白因受物理或化学因素影响，高级结构遭到破坏，致使其理化性质和生物功能发生改变，但并不导致一级结构的改变，这种现象称为蛋白质的变性。二硫键的改变引起的失活可看作变性。
能使蛋白质变性的因素很多，如强酸、强碱、重金属盐、尿素、胍、去污剂、三氯乙酸、有机溶剂、高温、射线、超声波、剧烈振荡或搅拌等。但不同蛋白对各种因素的敏感性不同。
温度：多数蛋白在60℃以上开始变性。热变性通常是不可逆的，少数蛋白在pH6以下变性时不发生二硫键交换，仍可复性。多数蛋白在低温下稳定，但有些蛋白在低温下会钝化，其中有些蛋白的钝化是不可逆的。如固氮酶的铁蛋白在0－1℃下15小时就会失活。一个可能的原因是寡聚蛋白发生解聚，如TMV的丙酮酸羧化酶。
pH值：蛋白质一般在pH 4－10范围较稳定。当pH超过pK几个单位时，一些蛋白内部基团可能会翻转到表面，造成变性。如血红蛋白分子内部的组氨酸在低pH下会出现在表面。
有机溶剂：能破坏氢键，削弱疏水键，还能降低介电常数，使分子内斥力增加，造成肽链伸展、变性。高浓度有机溶剂变性时可能发生螺旋度上升，称为重构造变性。
胍、尿素等：破坏氢键和疏水键。硫氰酸胍比盐酸胍效果好。胍和尿素造成的变性一般生成无规卷曲，如果二硫键被破坏，就成为线性结构。胍的变性作用最彻底。热变性和酸、碱造成的变性经常保留部分紧密构象，可被胍破坏。
某些盐类：盐溶效应强的盐类，如氯化钙、硫氰酸钾等，有变性作用，可能是与蛋白内部基团或溶剂相互作用的结果。
表面活性剂：如SDS-、CTAB+、triton等。triton因为不带电荷，所以比较温和，经常用来破碎病毒。
蛋白质变性后分子性质改变，粘度升高，溶解度降低，容易沉淀。这是由于其表面的水化层和双电层被破坏，内部疏水区暴露造成的。但是，并不是变性的蛋白一定会沉淀。比如在做SDS电泳变性样品的时候，由于SDS的存在，变性蛋白仍然溶解在缓冲液中。这时一般会控制蛋白浓度不要过高，以防蛋白质凝聚沉淀。
变性蛋白的旋光度和红外、紫外光谱均发生变化，同时结晶能力也会丧失。这是因为结晶需要蛋白质分子规则排列，所以必需构象相同。变性蛋白则呈现杂乱无章的构象，自然无法规则排列，也就难以结晶了。所以，结晶能力也常用来衡量蛋白质的空间结构是否正常。
蛋白质变性时光谱改变。Sci Rep.2016
变性蛋白易被水解，即消化率上升（这是肉类煮熟后容易消化的生化基础）。同时包埋在分子内部的可反应基团暴露出来，使其反应性增加一些天然构象时无法发生的反应也可能呈阳性。蛋白质变性后失去生物活性，抗原性也发生改变，某些针对天然构象的抗体会失效。这些变化的原因主要都是由于高级结构的改变。
由于变性蛋白的一级结构并不改变，所以高级结构的基础还在，在适当条件下还可以恢复高级结构和功能，称为复性。如胃蛋白酶加热至80－90℃时，失去活性，降温至37℃，又可恢复活力。但是，蛋白质的折叠是一个复杂的过程，有时候还需要一些分子伴侣之类的分子辅助折叠，所以结构复杂的蛋白往往不易复性。而且蛋白质变性后疏水残基外露，会导致很多分子凝聚到一起，就会成为不可逆的变性。一般蛋白质浓度越高，越容易发生凝聚，所以做蛋白质复性的时候，都会将样品稀释。
研究蛋白质的变性，可采取某些措施防止变性，如添加明胶、树胶、酶的底物和抑制剂、辅基、金属离子、盐类、缓冲液、糖类等，可抑制变性作用。但有些酶在有底物时会降低热稳定性。有时有机溶剂也可起稳定作用，如猪心苹果酸脱氢酶，在25℃下保温30分钟，酶活为50％；加入70％甘油后，经同样处理，活力为109％。
变性现象也可加以利用，如用酒精消毒，就是利用乙醇的变性作用来杀菌。食品工业上将大豆蛋白变性，使它成为纤维状，类似肌纤维的样子，就是人造肉。在提纯蛋白时，可用变性剂除去一些易变性的杂蛋白。比如提取鸡的卵粘蛋白的时候，就是利用卵粘蛋白不易变性的特点，用三氯乙酸将卵清蛋白等杂蛋白变性除去。
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