鈣調蛋白的外形似啞鈴，有兩個球形的末端，中間被一個長而富有彈性的螺旋結構相連，長度為 6.5nm，每個末端有兩個Ca2+結構域，每個結構域可以結合一個Ca2+，這樣一個鈣調蛋白可以結合4個Ca2+ ，每個位點都是由12個氨基酸殘基組成的套環，門冬氨酸和谷氨酸的側鏈提供 Ca2+結合基團。其中C端的位點比N端位點的Ca2+ 親和力強10倍。當C端位點與Ca2+ 結合后，鈣調蛋白分子通過自身構象的改變，增加了N端位點的親和力，使結合型鈣調蛋白的含量與 Ca2+濃度呈拋物線關系，利于 Ca2+發揮效應。 [6]
鈣調蛋白結構中含有 7 個α螺旋、4 個Ca2+結合環區和兩個短的、反平行的雙鏈β折疊。4 個Ca2+結合區域是一個典型的螺旋-環-螺旋的 EF 手型結構，每個結構域均有類似的原子結構：2 個α螺旋-Ca2+結合環-2 個α螺旋。環兩側的2 個α螺旋相互垂直，各約 10 個氨基酸；Ca2+結合環內含有門冬氨酸、谷氨酸和甘氨酸，是與Ca2+結合的部位。兩側的2 個α螺旋因氫鍵及疏水作用，穩定Ca2+的配位結構。由于 鈣調蛋白中不含易被氧化的半胱氨酸Cys 和羥脯氨酸Pro-OH 等能使肽鏈定型的成分，鈣調蛋白在結構上具有高度的靈活性。