Quando as proteínas secas são expostas a ar de alto teor de água, elas rapidamente ligam a água até uma quantidade máxima, que difere para diferentes proteínas; geralmente é de 10 a 20 por cento do peso da proteína. Os grupos hidrofílicos de uma proteína são principalmente os grupos de carga positiva nas cadeias laterais da lisina e arginina e os grupos de carga negativa do ácido aspártico e glutâmico. A hidratação (isto é, a ligação da água) também pode ocorrer nos grupos hidroxila (-OH) de serina e treonina ou nos grupos amida (-CONH2) de asparagina e glutamina.
A ligação das moléculas de água aos grupos carregados ou polares (parcialmente carregados) é explicada pela estrutura dipolar da molécula de água; isto é, os dois átomos de hidrogênio carregados positivamente formam um ângulo de cerca de 105°, com o átomo de oxigênio carregado negativamente no ápice. O centro das cargas positivas está localizado entre os dois átomos de hidrogénio; o centro da carga negativa do átomo de oxigénio está no ápice do ângulo. O pólo negativo da molécula dipolar da água liga-se aos grupos com carga positiva; o pólo positivo liga-se aos grupos com carga negativa. O pólo negativo da molécula da água também se liga aos grupos hidroxila e amino da proteína.
A água de hidratação é essencial para a estrutura dos cristais de proteína; quando estes estão completamente desidratados, a estrutura cristalina desintegra-se. Em algumas proteínas este processo é acompanhado de desnaturação e perda da função biológica.
Em soluções aquosas, as proteínas ligam algumas das moléculas de água muito firmemente; outras são muito soltas ou formam ilhas de moléculas de água entre laços de cadeias de peptídeos dobrados. Como as moléculas de água em tal ilha são pensadas para serem orientadas como no gelo, que é água cristalina, as ilhas de água em proteínas são chamadas de icebergs. As moléculas de água também podem formar pontes entre os grupos carbonilo e imino das cadeias de peptídeos adjacentes, resultando em estruturas semelhantes às da folha pregueada, mas com uma molécula de água na posição das ligações de hidrogênio dessa configuração. A extensão da hidratação das moléculas proteicas em soluções aquosas é importante, pois alguns dos métodos utilizados para determinar o peso molecular das proteínas produzem o peso molecular da proteína hidratada. A quantidade de água ligada a um grama de uma proteína globular em solução varia de 0,2 a 0,5 gramas. Quantidades muito maiores de água são mecanicamente imobilizadas entre as cadeias alongadas de peptídeos de proteínas fibrosas; por exemplo, uma grama de gelatina pode imobilizar à temperatura ambiente 25 a 30 gramas de água.
Hidratação de proteínas é necessária para a sua solubilidade em água. Se a água de hidratação de uma proteína dissolvida em água for reduzida pela adição de um sal como o sulfato de amônio, a proteína não é mais solúvel e é salgada, ou precipitada. O processo de salga é reversível porque a proteína não é desnaturada (ou seja, irreversivelmente convertida num material insolúvel) pela adição de sais como cloreto de sódio, sulfato de sódio, ou sulfato de amónio. Algumas globulinas, chamadas euglobulinas, são insolúveis em água na ausência de sais; sua insolubilidade é atribuída à interação mútua de grupos polares na superfície de moléculas adjacentes, um processo que resulta na formação de grandes agregados de moléculas. A adição de pequenas quantidades de sal faz com que as euglobulinas se tornem solúveis. Este processo, chamado salga em, resulta de uma combinação entre ânions (íons com carga negativa) e cátions (íons com carga positiva) do sal e cadeias laterais das euglobulinas com carga positiva e negativa. A combinação evita a agregação de moléculas de euglobulina, evitando a formação de pontes de sal entre elas. A adição de mais sulfato de sódio ou amónio faz com que as euglobulinas salinizem novamente e precipitem.