膠原的合成與組裝始于內質網，并在高爾基體中進行修飾，最后在細胞外組裝成膠原纖維。在膠原蛋白在粗面內質網膜結合的核糖體上起始合成前α鏈，并在內質網切除信號肽，通過內質網和高爾基體的加工、修飾和組裝，形成三股螺旋的前膠原并分泌到胞外，形成原膠原最后組裝成膠原原纖維和膠原纖維。
前膠原是原膠原的前體，是分泌到胞外前的形式。前膠原由3條前α鏈螺旋而成，每條α鏈具有150個氨基酸殘基的N末端前肽和250個氨基酸殘基的C末端前肽。前肽的一級結構沒有Gly-X-Y序列，具有較多酸性氨基酸及芳香族氨基酸殘基，并含有半胱氨酸殘基，因此前α鏈在前肽區域并不形成三股螺旋結構。但在N末端前肽形成鏈內二硫鍵，在C末端前肽形成鏈內及鏈間二硫鍵。在I 型膠原的三股螺旋間沒有二硫鍵，前膠原C末端的5個鏈間二硫鍵在糙面內質網中形成，然后3條多肽鏈由C→N方向盤繞形成三股螺旋，鏈間二硫鍵在三股螺旋形成前對穩定前膠原3條多肽鏈的聯系起重要作用。膠原肽鏈在糙面內質網合成帶有信號肽的前原膠原。 [2]
在糙面內質網中除切除信號肽外還進行一些重要的化學修飾反應，如Gly-X-Y序列中某些Pro和Lys殘基的羥化，羥賴氨酸可以進一步發生糖基化等修飾。經過修飾的前α鏈組裝成三股螺旋的前膠原，然后通過高爾基體分泌到細胞外，在前膠原N蛋白酶和前膠原C蛋白酶作用下，分別切去N末端前肽及C末端前肽，而兩端各保留一段非螺旋的端肽區成為原膠原，原膠原進而聚合形成膠原纖維。伴隨著膠原纖維的組裝，某些賴氨酸和羥賴氨酸殘基被細胞外的賴氨酸氧化酶氧化為醛，在多肽鏈間自然形成共價交聯，對膠原纖維的穩定和強度起重要作用。準確地切除N末端和C末端前肽對膠原纖維的正常組裝是必需的。 [2] 圖見膠原組裝過程。