단백질의 주된 영양학적인 기능은 조직단백질의 합성을 위해 필요한 아미노산을 공급하고 생물체의 정상적인 성장, 유지 및 기능에 필수적인 질소화합물을 공급해주는 것입니다. 단백질은 근육, 결합조직 등 신체조직을 구성할 뿐 아니라 효소, 항체, 호르몬 등을 합성하고 체내 필수물질의 운반과 저장, 체액과 산-염기 균형 유지 등 중요한 기능을 담당하고 있습니다. 단백질은 신체의 에너지원으로도 이용되며, 필요한 경우 포도당을 합성합니다. 체내에서 단백질이 효율적으로 이용되려면 에너지의 섭취도 충분해야 합니다. 그렇지 않으면 단백질이 고유한 기능을 수행하기보다는 아미노산으로 분해되어 에너지를 제공하는데 사용됩니다.

세포내에서 단백질 합성이 원활하게 이루어지기 위해서는 모든 필수아미노산(체내에서 합성이 불가능한 아미노산, essential amino acid)이 필요한 비율로 골고루 존재해야 합니다. 만일 필수아미노산 중 하나라도 없거나 부족하면 그 순간의 단백질 합성은 가장 부족한 필수아미노산(단백질 합성에 제한을 주기 때문에 제한아미노산(limiting amino acid) 이라 함) 함량에 비례해서 일어납니다. 이 때 다른 필수아미노산을 충분히 공급하여도 대신 사용될 수 없으며, 가장 부족한 아미노산의 함량만큼만 단백질 합성이 일어나며 나머지는 필수아미노산 또한 단백질 합성에 사용될 수 없습니다. 역으로 만일 하나의 아미노산이 과잉 섭취되어 높은 수준으로 존재하여도 독성이 있어서 성장이 지연되는 결과를 초래합니다. 예를 들어 저단백식사에 어떤 단일 필수아미노산을 첨가하여 보충하면 오히려 아미노산의 불균형을 초래할 가능성이 높아집니다 .

단백질이 합성되기 위해서는 꼭 필수아미노산만 필요한 것이 아니라, 비필수아미노산도 비례해서 반드시 필요합니다. 비필수아미노산은 체내에서 합성이 가능하다는 뜻이지 필요없다는 뜻은 아닙니다. 그러므로 단백질 합성이 원활하게 이루어지려면 필수아미노산량에 비례해서 비필수아미노산의 섭취도 필요합니다. 즉 단백질 섭취량이 증가되면 필수아미노산의 필요량이 증가되고 필수아미노산과 비필수아미노산의 상대적인 비율이 중요하다는 것입니다. 그러므로 총단백질 섭취량의 약 20-25%는 필수아미노산으로 구성되어야 최대의 효과가 있습니다.

식품의 종류에 따라 단백질을 구성하고 있는 아미노산의 종류와 함량이 다릅니다. 동물성 단백질은 보통 필수아미노산이 충분히 함유되어 있지만 식물성 단백질은 대부분 한 개 이상의 필수아미노산이 부족하게 함유되어 있습니다. 어떤 식품의 단백질이 모든 필수아미노산을 우리 몸이 필요로 하는 정도로 골고루 적당 비율로 함유하고 있으면 이 단백질을 완전단백질이라 합니다. 예로써 우유의 카세인, 달걀 등의 동물성 단백질이 이에 속합니다. 불완전단백질의 질을 영양학적으로 향상시키기 위하여 두 개의 식물성 단백질을 섭취하거나 혹은 소량의 동물성 단백질을 첨가하여 완전단백질로 만들 수 있습니다. 예를 들어 라이신이 부족한 곡류나 메티오닌이 부족한 콩류에 완전 단백질을 함유한 우유를 첨가함으로써 즉 빵과 우유, 밥과 육류, 밥과 두부 등과 같이 골고루 식사를 하면 자연히 필수아미노산의 불균형이 해결되는 것입니다. 이를 단백질의 상호보완작용이라고 합니다.

전세계적으로 저개발국가나 개발도상국가에서는 아직도 에너지와 단백질의 섭취가 낮은 지역이 있습니다. 단백질이 결핍되면 성장저해가 오고 질병에 대한 민감도가 증가합니다. 단백질 결핍증을 "콰시오커(kwashiorkor)'라고 부르며, 이 증상은 대개 1-4세까지의 어린이들에게, 이유뒤의 영양이 부족하거나 또는 급속한 성장에 필요한 영양의 섭취가 부족할 때 잘 나타납니다. 단백질과 함께 에너지의 섭취가 제한되면 흔히 PEM(protein-energy malnutrition) 혹은 PCM(protein-calorie malnutrition)이라고 부르는 마라스무스(marasmus)가 나타납니다. WHO 통계에 의하면 선진국에서는 PEM은 주로 입원환자 또는 암, AIDS, 결핵, 흡수불량증, 신장과 간질환, 식욕감퇴증 등과 같은 질병의 2차 증상으로 존재합니다.

단백질의 과잉섭취가 우리 몸에 해로운지의 여부는 아직도 불분명합니다. 과량의 단백질은 칼슘을 용출시켜 골격대사에 해로운 영향을 끼치며 여분의 질소배설로 인해 신장에 과도한 부담을 줄 수 있다는 연구 결과가 있었습니다. 전반적으로 볼 때, 미국의 NAS(학술원)에서 발행한 1989년 '식사와 건강보고서'에서 고단백질 섭취에 대해 경고한 것은 고려해 볼 가치가 있습니다. 이 보고서에서 '단백질 권장량의 2배 이상을 규칙적으로 섭취하지는 말 것'을 권장하고 있습니다.
메티오닌, 티로신 등의 아미노산을 보충해 먹으면 아미노산 불균형의 효과로 독성이 나타날 수 있습니다. 예를 들어 트립토판을 많이 먹으면 세로토닌 합성이 증가하여 생리적 증후군(졸림), 우울증, 주의산만(이명현상) 등의 증세가 나타납니다.