Kun kuivat proteiinit altistuvat runsaasti vettä sisältävälle ilmalle, ne sitovat nopeasti vettä enimmäismäärään asti, joka vaihtelee eri proteiineilla; yleensä se on 10-20 prosenttia proteiinin painosta. Proteiinin hydrofiiliset ryhmät ovat pääasiassa lysiinin ja arginiinin sivuketjujen positiivisesti varautuneita ryhmiä sekä asparagiini- ja glutamiinihapon negatiivisesti varautuneita ryhmiä. Hydrataatiota (eli veden sitoutumista) voi tapahtua myös seriinin ja treoniinin hydroksyyliryhmissä (-OH) tai asparagiinin ja glutamiinin amidiryhmissä (-CONH2).
Vesimolekyylien sitoutuminen joko varautuneisiin tai polaarisiin (osittain varautuneisiin) ryhmiin selittyy vesimolekyylin dipolarirakenteella, eli kaksi positiivisesti varautunutta vetyatomia muodostavat noin 105°:n kulman negatiivisesti varautuneena hapen atomin ollessa huipulla. Positiivisten varausten keskus sijaitsee kahden vetyatomin välissä; happiatomin negatiivisen varauksen keskus on kulman kärjessä. Dipolaarisen vesimolekyylin negatiivinen napa sitoutuu positiivisesti varautuneisiin ryhmiin; positiivinen napa sitoutuu negatiivisesti varautuneisiin ryhmiin. Vesimolekyylin negatiivinen napa sitoutuu myös proteiinin hydroksyyli- ja aminoryhmiin.
Hydrataatiovesi on välttämätöntä proteiinikiteiden rakenteelle; kun ne ovat täysin kuivuneet, kiderakenne hajoaa. Joillakin proteiineilla tähän prosessiin liittyy denaturoituminen ja biologisen funktion menettäminen.
Vesiliuoksissa proteiinit sitovat osan vesimolekyyleistä hyvin lujasti; toiset ovat joko hyvin löyhästi sidottuja tai muodostavat vesimolekyylien saarekkeita taittuneiden peptidiketjujen silmukoiden väliin. Koska tällaisessa saarekkeessa olevien vesimolekyylien ajatellaan olevan suuntautuneita kuten jäässä, joka on kiteistä vettä, proteiinien vesisaarekkeita kutsutaan jäävuoriksi. Vesimolekyylit voivat myös muodostaa siltoja vierekkäisten peptidiketjujen karbonyyli- ja iminoryhmien välille, jolloin syntyy samanlaisia rakenteita kuin taitetun levyn rakenteet, mutta vesimolekyyli on kyseisen konfiguraation vetysidosten kohdalla. Proteiinimolekyylien hydrataation laajuus vesiliuoksessa on tärkeää, koska joillakin proteiinien molekyylipainon määrittämiseen käytettävillä menetelmillä saadaan hydratoidun proteiinin molekyylipaino. Liuoksessa olevan pallomaisen proteiinin yhteen grammaan sitoutuneen veden määrä vaihtelee 0,2-0,5 gramman välillä. Paljon suuremmat vesimäärät immobilisoituvat mekaanisesti kuituproteiinien pitkullisten peptidiketjujen väliin; esimerkiksi yksi gramma gelatiinia voi immobilisoida huoneenlämmössä 25-30 grammaa vettä.
Proteiinien hydratoituminen on välttämätöntä niiden liukoisuudelle veteen. Jos veteen liuenneen proteiinin hydrataatiovettä vähennetään lisäämällä siihen suolaa, kuten ammoniumsulfaattia, proteiini ei ole enää liukoinen ja se suolautuu eli saostuu. Suolaantumisprosessi on palautuva, koska proteiini ei denaturoidu (eli muutu palautumattomasti liukenemattomaksi aineeksi), kun siihen lisätään natriumkloridin, natriumsulfaatin tai ammoniumsulfaatin kaltaisia suoloja. Jotkin globuliinit, joita kutsutaan euglobuliineiksi, ovat liukenemattomia veteen ilman suoloja; niiden liukenemattomuus johtuu vierekkäisten molekyylien pinnalla olevien polaaristen ryhmien keskinäisestä vuorovaikutuksesta, joka johtaa suurten molekyyliaggregaattien muodostumiseen. Pienten suolamäärien lisääminen saa euglobuliinit liukenemaan. Tämä prosessi, jota kutsutaan suolaamiseksi, johtuu suolan anionien (negatiivisesti varautuneet ionit) ja kationien (positiivisesti varautuneet ionit) sekä euglobuliinien positiivisesti ja negatiivisesti varautuneiden sivuketjujen yhdistymisestä. Yhdistelmä estää euglobuliinimolekyylien aggregoitumisen estämällä suolasiltojen muodostumisen niiden välille. Lisää natrium- tai ammoniumsulfaattia lisäämällä euglobuliinit suolautuvat uudelleen ja saostuvat.