铁蛋白的分子结构是由一层蛋白壳围绕着铁和磷酸盐分子组成的铁核，外径12～13nm，分子量500kDa，蛋白壳均为由24个亚基以高度对称性方式组成的内空心结构，空心直径约为8nm，其中的氢氧化铁核中可积累多达4000个铁原子且不影响蛋白表面和与其它分子的相互作用。

从不同来源的铁蛋白结构特征来看，所有的铁蛋白虽然在一级结构上变化很大（氨基酸序列相似性有时才达到14%），但本质上都有相同的体系结构，如动物体内“贮存铁”虽几乎存在于所有的细胞内,但主要还是存在于网状内皮细胞和肝细胞内,它以铁蛋白及合铁血黄素两种形式出现,占体内总铁量的27％。

铁蛋白具有耐稀酸（pH值2.0）、耐稀碱（pH值12.0）、耐较高温度（70～75℃水温下不变性）等特殊性质，在很多研究中，就是利用铁蛋白的这些特性，从动物组织中提纯出该蛋白

铁蛋白铁是可溶性的,它沉积于脱铁铁蛋白外壳内,形成一个结晶核心，含铁血黄素则是铁蛋白的降解产物,即铁蛋白丧失部分蛋白外壳后的聚集体。