Når tørre proteiner udsættes for luft med et højt vandindhold, binder de hurtigt vand op til en maksimal mængde, som varierer for forskellige proteiner; normalt er det 10 til 20 procent af proteinets vægt. De hydrofile grupper i et protein er hovedsageligt de positivt ladede grupper i lysin- og arginins sidekæderne og de negativt ladede grupper i aspartisk- og glutaminsyre. Hydrering (dvs. binding af vand) kan også ske ved hydroxylgrupperne (-OH) i serin og threonin eller ved amidgrupperne (-CONH2) i asparagin og glutamin.
Binding af vandmolekyler til enten ladede eller polære (delvist ladede) grupper forklares ved vandmolekylets dipolære struktur; dvs. at de to positivt ladede hydrogenatomer danner en vinkel på ca. 105° med det negativt ladede oxygenatom i spidsen. Centrum for de positive ladninger befinder sig mellem de to hydrogenatomer, mens centrum for iltatomets negative ladning befinder sig i spidsen af vinklen. Den negative pol af det dipolære vandmolekyle binder sig til positivt ladede grupper, mens den positive pol binder sig til negativt ladede grupper. Vandmolekylets negative pol binder også til proteinets hydroxyl- og aminogrupper.
Hydreringsvandet er afgørende for proteinkrystallernes struktur; når de er fuldstændig dehydreret, opløses den krystallinske struktur. I nogle proteiner ledsages denne proces af denaturering og tab af den biologiske funktion.
I vandige opløsninger binder proteinerne nogle af vandmolekylerne meget fast; andre er enten meget løst bundet eller danner øer af vandmolekyler mellem løkker af foldede peptidkæder. Fordi vandmolekylerne i en sådan ø menes at være orienteret som i is, som er krystallinsk vand, kaldes øer af vand i proteiner for isbjerge. Vandmolekyler kan også danne broer mellem carbonyl- og iminogrupperne i tilstødende peptidkæder, hvilket resulterer i strukturer, der ligner dem i det plisserede ark, men med et vandmolekyle i den position, hvor hydrogenbindingerne i denne konfiguration er placeret. Omfanget af hydrering af proteinmolekyler i vandige opløsninger er vigtigt, fordi nogle af de metoder, der anvendes til bestemmelse af proteiners molekylvægt, giver den molekylære vægt af det hydrerede protein. Den mængde vand, der er bundet til et gram af et kugleformet protein i opløsning, varierer fra 0,2 til 0,5 gram. Meget større mængder vand er mekanisk immobiliseret mellem de langstrakte peptidkæder i fiberproteiner; f.eks. kan et gram gelatine ved stuetemperatur immobilisere 25 til 30 gram vand.
Hydrering af proteiner er nødvendig for deres opløselighed i vand. Hvis hydreringsvandet for et protein opløst i vand reduceres ved tilsætning af et salt som f.eks. ammoniumsulfat, er proteinet ikke længere opløseligt og saltes ud eller udfældes. Udsaltningsprocessen er reversibel, fordi proteinet ikke denatureres (dvs. omdannes irreversibelt til et uopløseligt materiale) ved tilsætning af salte som natriumchlorid, natriumsulfat eller ammoniumsulfat. Nogle globuliner, kaldet euglobuliner, er uopløselige i vand i fravær af salte; deres uopløselighed tilskrives den gensidige interaktion mellem polære grupper på overfladen af tilstødende molekyler, en proces, der resulterer i dannelse af store aggregater af molekyler. Tilsætning af små mængder salt får euglobulinerne til at blive opløselige. Denne proces, der kaldes saltning, skyldes en kombination mellem anioner (negativt ladede ioner) og kationer (positivt ladede ioner) i saltet og positivt og negativt ladede sidekæder i euglobulinerne. Kombinationen forhindrer aggregering af euglobulinmolekyler ved at forhindre dannelsen af saltbroer mellem euglobulinmolekylerne. Tilsætning af mere natrium- eller ammoniumsulfat får euglobulinerne til at salte ud igen og bundfælde sig.