Wenn trockene Proteine Luft mit hohem Wassergehalt ausgesetzt werden, binden sie schnell Wasser bis zu einer maximalen Menge, die für verschiedene Proteine unterschiedlich ist; normalerweise beträgt sie 10 bis 20 Prozent des Gewichts des Proteins. Die hydrophilen Gruppen eines Proteins sind vor allem die positiv geladenen Gruppen in den Seitenketten von Lysin und Arginin und die negativ geladenen Gruppen der Asparagin- und Glutaminsäure. Die Hydratation (d.h. die Bindung von Wasser) kann auch an den Hydroxylgruppen (-OH) von Serin und Threonin oder an den Amidgruppen (-CONH2) von Asparagin und Glutamin erfolgen.
Die Bindung von Wassermolekülen an geladene oder polare (teilweise geladene) Gruppen wird durch die dipolare Struktur des Wassermoleküls erklärt, d.h. die beiden positiv geladenen Wasserstoffatome bilden einen Winkel von etwa 105°, wobei das negativ geladene Sauerstoffatom an der Spitze steht. Das Zentrum der positiven Ladung liegt zwischen den beiden Wasserstoffatomen, das Zentrum der negativen Ladung des Sauerstoffatoms befindet sich im Scheitelpunkt des Winkels. Der negative Pol des dipolaren Wassermoleküls bindet sich an positiv geladene Gruppen; der positive Pol bindet negativ geladene Gruppen. Der negative Pol des Wassermoleküls bindet auch an die Hydroxyl- und Aminogruppen des Proteins.
Das Hydratationswasser ist wesentlich für die Struktur der Proteinkristalle; wenn sie vollständig dehydriert sind, zerfällt die kristalline Struktur. Bei einigen Proteinen geht dieser Prozess mit einer Denaturierung und dem Verlust der biologischen Funktion einher.
In wässrigen Lösungen binden Proteine einige der Wassermoleküle sehr fest; andere sind entweder sehr locker gebunden oder bilden Inseln von Wassermolekülen zwischen Schleifen gefalteter Peptidketten. Da man annimmt, dass die Wassermoleküle in einer solchen Insel wie in Eis, also kristallinem Wasser, ausgerichtet sind, werden die Wasserinseln in Proteinen als Eisberge bezeichnet. Wassermoleküle können auch Brücken zwischen den Carbonyl- und Iminogruppen benachbarter Peptidketten bilden, was zu Strukturen führt, die denen des gefalteten Blattes ähneln, jedoch mit einem Wassermolekül an der Stelle der Wasserstoffbrückenbindungen dieser Konfiguration. Das Ausmaß der Hydratisierung von Proteinmolekülen in wässrigen Lösungen ist wichtig, da einige der Methoden zur Bestimmung des Molekulargewichts von Proteinen das Molekulargewicht des hydratisierten Proteins ergeben. Die an ein Gramm eines kugelförmigen Proteins in Lösung gebundene Wassermenge schwankt zwischen 0,2 und 0,5 Gramm. Viel größere Wassermengen werden mechanisch zwischen den verlängerten Peptidketten von Faserproteinen immobilisiert; so kann beispielsweise ein Gramm Gelatine bei Raumtemperatur 25 bis 30 Gramm Wasser immobilisieren.
Die Hydratisierung von Proteinen ist für ihre Wasserlöslichkeit notwendig. Wird das Hydratationswasser eines in Wasser gelösten Proteins durch Zugabe eines Salzes wie Ammoniumsulfat verringert, ist das Protein nicht mehr löslich und wird ausgesalzen oder ausgefällt. Der Aussalzungsprozess ist reversibel, da das Protein durch die Zugabe von Salzen wie Natriumchlorid, Natriumsulfat oder Ammoniumsulfat nicht denaturiert (d. h. irreversibel in ein unlösliches Material umgewandelt) wird. Einige Globuline, die so genannten Euglobuline, sind in Abwesenheit von Salzen in Wasser unlöslich; ihre Unlöslichkeit wird auf die gegenseitige Wechselwirkung polarer Gruppen auf der Oberfläche benachbarter Moleküle zurückgeführt, ein Prozess, der zur Bildung großer Molekülaggregate führt. Die Zugabe geringer Salzmengen bewirkt, dass die Euglobuline löslich werden. Dieser Prozess, der als Einsalzen bezeichnet wird, ergibt sich aus einer Kombination zwischen Anionen (negativ geladenen Ionen) und Kationen (positiv geladenen Ionen) des Salzes und positiv und negativ geladenen Seitenketten der Euglobuline. Diese Kombination verhindert die Aggregation von Euglobulinmolekülen, indem sie die Bildung von Salzbrücken zwischen ihnen verhindert. Die Zugabe von mehr Natrium- oder Ammoniumsulfat bewirkt, dass die Euglobuline wieder aussalzen und ausfallen.