Yapısal biyoloji, biyolojinin özellikle amino asitlerden yapılmış olan proteinler, nükleotitlerden yapılmış RNA ve DNA gibi nükleik asitler ve lipitlerden oluşmuş membranlar olmak üzere biyolojik makromoleküllerin yapılarını ve uzamsal dizilişlerini inceleyen bir dalıdır. Yapısal biyoloji asıl olarak biyofizik yöntemleri ile makromoleküllerin atom düzeyinde üç boyutlu yapılarının belirlenmesi, yapısal değişikliklerinin temel prensipleri, moleküler hareketlerin analizi ve bu yapıların dinamiği ile ilgilenir. Makromoleküller hücrelerin hemen hemen tüm işlevlerini yerine getirir ve bunu da yapabilmek için belirli üç boyutlu şekillere girerler. Moleküllerin "üçüncül yapı"sı olarak adlandırılan bu yapılar her molekülün temel bileşimi ya da "birincil yapı"ları ile karmaşık bir şekilde bağlantılıdır.
Biyomoleküller en gelişmiş ışık mikroskopları ile bile detaylı olarak görülemeyecek kadar küçüktür. Yapısal biyologların biyomoleküllerin yapısını belirlemek için kullandığı yöntemler genellikle çok sayıda özdeş molekülün aynı anda ölçülmesini içerir. Bu yöntemler arasında kütle spektrometrisi, makromoleküler kristalografi, nötron kırınımı, proteoliz, biyomoleküler nükleer manyetik rezonans spektroskopisi (NMR), elektron paramanyetik rezonans (EPR), kriyo-elektron mikroskobu, elektron kristalografisi ve mikrokristal elektron kırınımı, çok açılı ışık saçınımı, biyolojik küçük açılı saçınım, ultra hızlı lazer spektroskopisi, ikili polarizasyon interferometresi ve dairesel dikroizm sayılabilir. Çoğunlukla araştırmacılar bu yöntemleri makromoleküllerin "doğal durum"larını incelemek için kullanırlar. Ama aynı zamanda bu yöntemlerin bazı varyasyonları açığa çıkmış ya da denatüre moleküllerin doğarl durumlarına gelmesini izlemek için de kullanılır.
Yapısal biyologların moleküler yapıları anlamak için kullandıkları bir başka yöntem de belirli şekillerin ortaya çıkmasına neden olan çeşitli dizilimlerin arasında modelleri aramak için kullanılan biyoenformatiktir. Araştırmacılar sıklıkla hidrofobisite analizi ile tahmin edilen membran topolojisi temel alınarak integral membran proteinlerinin yapısal özelliklerini çıkarabilirler.
Son yıllarda biyolojik yapıların in silico araştırmalarını tamamlayacak oldukça hassas fiziksel moleküler modeller de mümkün olabilmiştir ve bu modellere örnekler Protein Veri Bankası'nda bulunabilir.
Proteinlerin yapılarını, şekil değiştirmelerini ve işlevlerini araştırmak için ampirik yapı belirleme yöntemlerinin yanı sıra moleküler dinamik simülasyonları gibi işlemsel teknikler de kullanılabilmektedir.
Yapısal biyoloji araştırmalarının sonuçlarından sıklıkla ilaç geliştirme projelerinde yararlanılır. Bir ilacın hedefi üzerindeki etkisinin moleküler ve yapısal olarak anlaşılması ve bunun görselleştirilmesi aktif moleküllerin tasarımını ve iyileştirilmesini mümkün kılar. Bunu sağlamak için hem yapısal analizi inceleyen deneysel yöntemler hem de bilişimsel yaklaşımlar kullanılarak moleküler yapılarından yola çıkarak aday ilaçlar belirlenir.
