作為結構基因組研究的互補，蛋白質結構預測的目標是發展出有效的能夠提供未知結構（未通過實驗方法得到）蛋白質的可信的結構模型。目前最為成功的結構預測方法是同源建模；這一方法是利用序列相似的蛋白質（已知結構）的結構作為“模板”。而結構基因組的目標正是通過解析大量蛋白質的結構來為同源建模提供足夠的模板以獲得剩余的未解析的同源蛋白結構。從序列相似性較差的模板計算出精確的結構模型對于同源建模法還是一個挑戰，問題在于序列比對準確性的影響，如果能夠獲得“完美”的比對結果，則能夠獲得精確的結構模型。許多結構預測方法已經被用于在蛋白質工程領域，在這些方法的幫助下，研究者們設計出一些新型的蛋白質折疊類型。更為復雜的結構計算是預測蛋白質分子之間的相互作用，需要應用分子對接法和蛋白-蛋白相互作用預測。