Wanneer droge eiwitten worden blootgesteld aan lucht met een hoog watergehalte, binden zij snel water tot een maximale hoeveelheid, die voor verschillende eiwitten verschilt; gewoonlijk is dit 10 tot 20 procent van het gewicht van het eiwit. De hydrofiele groepen van een eiwit zijn voornamelijk de positief geladen groepen in de zijketens van lysine en arginine en de negatief geladen groepen van asparaginezuur en glutaminezuur. Hydratatie (d.w.z. binding van water) kan ook plaatsvinden aan de hydroxyl (-OH) groepen van serine en threonine of aan de amide (-CONH2) groepen van asparagine en glutamine.
De binding van watermoleculen aan hetzij geladen, hetzij polaire (gedeeltelijk geladen) groepen wordt verklaard door de dipolaire structuur van het watermolecuul; dat wil zeggen, de twee positief geladen waterstofatomen vormen een hoek van ongeveer 105°, met het negatief geladen zuurstofatoom aan de top. Het centrum van de positieve lading bevindt zich tussen de twee waterstofatomen; het centrum van de negatieve lading van het zuurstofatoom ligt op de top van de hoek. De negatieve pool van het dipolaire watermolecuul bindt aan positief geladen groepen; de positieve pool bindt negatief geladen groepen. De negatieve pool van het watermolecuul bindt ook aan de hydroxyl- en aminogroepen van het eiwit.
Het water van hydratatie is essentieel voor de structuur van eiwitkristallen; wanneer zij volledig uitgedroogd zijn, valt de kristallijne structuur uiteen. Bij sommige eiwitten gaat dit proces gepaard met denaturatie en verlies van de biologische functie.
In waterige oplossingen binden eiwitten sommige watermoleculen zeer stevig; andere zijn ofwel zeer losjes gebonden of vormen eilanden van watermoleculen tussen lussen van gevouwen peptideketens. Omdat men denkt dat de watermoleculen in zo’n eiland georiënteerd zijn als in ijs, dat kristallijn water is, worden de watereilanden in eiwitten ijsbergen genoemd. Watermoleculen kunnen ook bruggen vormen tussen de carbonyl- en iminogroepen van aangrenzende peptideketens, waardoor structuren ontstaan die lijken op die van de geplooide plaat, maar dan met een watermolecuul op de plaats van de waterstofbruggen van die configuratie. De mate van hydratatie van eiwitmoleculen in waterige oplossingen is belangrijk, omdat sommige van de methoden die worden gebruikt om het molecuulgewicht van eiwitten te bepalen, het molecuulgewicht van het gehydrateerde eiwit opleveren. De hoeveelheid water die gebonden is aan één gram van een bolvormig eiwit in oplossing varieert van 0,2 tot 0,5 gram. Veel grotere hoeveelheden water worden mechanisch geïmmobiliseerd tussen de langgerekte peptideketens van vezelige eiwitten; één gram gelatine kan bijvoorbeeld bij kamertemperatuur 25 tot 30 gram water immobiliseren.
Hydratie van eiwitten is noodzakelijk voor hun oplosbaarheid in water. Als het hydratatiewater van een in water opgelost eiwit wordt verlaagd door toevoeging van een zout zoals ammoniumsulfaat, is het eiwit niet langer oplosbaar en wordt het uitgezouten, oftewel geprecipiteerd. Het uitzouten is omkeerbaar omdat het eiwit niet wordt gedenatureerd (d.w.z. onomkeerbaar wordt omgezet in een onoplosbaar materiaal) door de toevoeging van zouten zoals natriumchloride, natriumsulfaat of ammoniumsulfaat. Sommige globulinen, euglobulinen genaamd, zijn in water onoplosbaar zonder toevoeging van zouten; hun onoplosbaarheid wordt toegeschreven aan de onderlinge interactie van polaire groepen aan het oppervlak van aangrenzende moleculen, een proces dat leidt tot de vorming van grote aggregaten van moleculen. Door toevoeging van kleine hoeveelheden zout worden de euglobulinen oplosbaar. Dit proces, dat zouten wordt genoemd, ontstaat door een combinatie van anionen (negatief geladen ionen) en kationen (positief geladen ionen) van het zout en positief en negatief geladen zijketens van de euglobulinen. De combinatie voorkomt de aggregatie van euglobulinemoleculen door de vorming van zoutbruggen tussen de moleculen te verhinderen. Toevoeging van meer natrium- of ammoniumsulfaat leidt ertoe dat de euglobulinen weer uitzouten en neerslaan.