维持蛋白质二级结构稳定的主要因素是氢键。
蛋白质的二级结构（secondary structure）是指多肽链中主链原子的局部空间排布即构象，不涉及侧链部分的构象。
1、肽键平面（或称酰胺平面，amide plane）。
（1）肽链中的C-N键长0.132nm，比相邻的N-C单键（0.147nm）短，而较一般C=N双键（0.128nm）长，可见，肽键中-C-N-键的性质介于单、双键之间，具有部分双键的性质，因而不能旋转，这就将固定在一个平面之内。
（2）肽键的C及N周围三个键角之和均为360°，说明都处于一个平面上，也就是说六个原子基本上同处于一个平面，这就是肽键平面。肽链中能够旋转的只有α碳原子所形成的单键，此单键的旋转决定两个肽键平面的位置关系，于是肽键平面成为肽链盘曲折叠的基本单位。
（3）肽键中的C-N既具有双键性质，就会有顺反不同的立体异构，已证实处于反位。
2、蛋白质主链构象的结构单元
（1）α-螺旋Pauling等人对α-角蛋白（α-keratin）进行了X线衍射分析，从衍射图中看到有0.5~0.55nm的重复单位，故推测蛋白质分子中有重复性结构，并认为这种重复性结构为α-螺旋（α-helix）。
（2）β-片层结构Astbury等人曾对β-角蛋白进行X线衍射分析，发现具有0.7nm的重复单位。如将毛发α-角蛋白在湿热条件下拉伸，可拉长到原长二倍，这种α-螺旋的X线衍射图可改变为与β-角蛋白类似的衍射图。
说明β-角蛋白中的结构和α-螺旋拉长伸展后结构相同。两段以上的这种折叠成锯齿状的肽链，通过氢键相连而平行成片层状的结构称为β-片层（β-pleated sheet）结构或称β-折迭。
（3）β-转角
蛋白质分子中，肽链经常会出现180°的回折，在这种回折角处的构象就是β-转角（β-turn或β-bend）。β-转角中，第一个氨基酸残基的C=O与第四个残基的N-H之间形成氢键，从而使结构稳定。
（4）无规卷曲
没有确定规律性的部分肽链构象，肽链中肽键平面不规则排列，属于松散的无规卷曲（random coil）。