När torra proteiner utsätts för luft med hög vattenhalt binder de snabbt vatten upp till en maximal mängd, som skiljer sig åt mellan olika proteiner; vanligen är det 10 till 20 procent av proteinets vikt. De hydrofila grupperna i ett protein är främst de positivt laddade grupperna i lysinets och arginins sidokedjor och de negativt laddade grupperna i asparaginsyra och glutaminsyra. Hydrering (dvs. bindning av vatten) kan också ske vid hydroxylgrupperna (-OH) i serin och threonin eller vid amidgrupperna (-CONH2) i asparagin och glutamin.
Bindningen av vattenmolekyler till antingen laddade eller polära (delvis laddade) grupper förklaras av vattenmolekylens dipolära struktur, det vill säga att de två positivt laddade väteatomerna bildar en vinkel på cirka 105°, med den negativt laddade syreatomen i toppen. Centrum för de positiva laddningarna ligger mellan de två väteatomerna och centrum för syreatomens negativa laddning ligger i spetsen av vinkeln. Den dipolära vattenmolekylens negativa pol binder till positivt laddade grupper; den positiva polen binder till negativt laddade grupper. Vattenmolekylens negativa pol binder också till proteinets hydroxyl- och aminogrupper.
Hydreringsvattnet är väsentligt för proteinkristallernas struktur; när de är helt uttorkade sönderfaller den kristallina strukturen. I vissa proteiner åtföljs denna process av denaturering och förlust av den biologiska funktionen.
I vattenlösningar binder proteiner vissa av vattenmolekylerna mycket fast; andra är antingen mycket löst bundna eller bildar öar av vattenmolekyler mellan slingor av veckade peptidkedjor. Eftersom vattenmolekylerna i en sådan ö tros vara orienterade som i is, som är kristallint vatten, kallas öarna av vatten i proteiner för isberg. Vattenmolekyler kan också bilda broar mellan karbonyl- och imingrupperna i intilliggande peptidkedjor, vilket resulterar i strukturer som liknar de plisserade arkens, men med en vattenmolekyl i positionen för vätebindningarna i den konfigurationen. Hydreringsgraden hos proteinmolekyler i vattenlösningar är viktig, eftersom vissa av de metoder som används för att bestämma proteiners molekylvikt ger molekylvikten hos det hydrerade proteinet. Den mängd vatten som är bunden till ett gram av ett globulärt protein i lösning varierar från 0,2 till 0,5 gram. Mycket större mängder vatten immobiliseras mekaniskt mellan de långsträckta peptidkedjorna hos fibrösa proteiner; till exempel kan ett gram gelatin immobilisera 25 till 30 gram vatten vid rumstemperatur.
Hydrering av proteiner är nödvändig för att de ska kunna lösas i vatten. Om hydreringsvattnet hos ett protein som är löst i vatten minskas genom tillsats av ett salt, t.ex. ammoniumsulfat, är proteinet inte längre lösligt och saltas ut eller fälls ut. Utsaltningsprocessen är reversibel eftersom proteinet inte denatureras (dvs. omvandlas irreversibelt till ett olösligt material) genom tillsats av sådana salter som natriumklorid, natriumsulfat eller ammoniumsulfat. Vissa globuliner, så kallade euglobuliner, är olösliga i vatten i avsaknad av salter; deras olöslighet tillskrivs den ömsesidiga interaktionen mellan polära grupper på ytan av intilliggande molekyler, en process som resulterar i bildandet av stora aggregat av molekyler. Tillsats av små mängder salt gör att euglobulinerna blir lösliga. Denna process, som kallas saltning, beror på en kombination mellan anjoner (negativt laddade joner) och katjoner (positivt laddade joner) i saltet och positivt och negativt laddade sidokedjor i euglobulinerna. Kombinationen förhindrar aggregering av euglobulinmolekylerna genom att förhindra bildandet av saltbryggor mellan dem. Tillsats av mer natrium- eller ammoniumsulfat gör att euglobulinerna saltas ut igen och fälls ut.