tRNA的結構特征之一是含有較多的修飾成分，如上面提到的 D、T、 Ψ等；核酸中大部分修飾成分是在tRNA中發現的。修飾成分在tRNA分子中的分布是有規律的，但其功能不清楚。
1974年用X射線晶體衍射法測出第一個tRNA——酵母苯丙氨酸tRNA晶體的三維結構，分子全貌象倒寫的英文字母L，呈扁平狀，長60埃，厚20埃，如《tRNA晶體的三維結構》所示，它是在tRNA二級結構基礎上，通過氨基酸接受莖與TΨC莖以及D莖與反密碼莖間折疊成右手反平行雙螺旋。tRNA三級結構由保守或半保守成分與構成二級結構的核苷酸之間形成氫鍵（稱三級結構氫鍵）維系。其他tRNA晶體的三維結構類似酵母苯丙氨酸tRNA，只是某些參數有所不同。tRNA在溶液中的構型與其晶體結構一致。