轉運RNA分子由一條長70~90個核苷酸并折疊成三葉草形的短鏈組成的。上圖中有兩種不同的分子，苯丙氨酸tRNA(4tna)和天冬氨酸tRNA(2tra)。tRNA鏈的兩個末端在圖上方指出的L形結構的末端互相接近。氨基酸在箭頭示意的位置被連接。在這條鏈的中央形成了L形臂，如圖下方所示，露出了形成反密碼子的三個核苷酸。三葉草結構的其余兩環被包裹成肘狀，在那里它們提供整個分子的結構。四個常見RNA堿基---腺嘌呤，尿嘧啶，鳥嘌呤和胞嘧啶顯然不能提供足夠的空間以形成一個堅固的結構，因為這些堿基大部分被修飾過以延長它們的結構。有兩個奇特的例子，看37號反密碼子相鄰的堿基，位于甲硫氨酸tRNA（1yfg）或苯丙氨酸tRNA(4tna和6tna)的起始部位。
一級結構
自1965年R．W．霍利等首次測出酵母丙氨酸tRNA的一級結構即核苷酸排列順序到1983年已有200多個tRNA（包括不同生物來源、不同器官、細胞器的同功受體tRNA以及校正tRNA）的一級結構被闡明。按照A－U、G－C以及G－U堿基配對原則，除個別例外，
二級結構
tRNA分子均可排布成三葉草模型的二級結構（圖1）。它由3個環，即D環〔因該處二氫尿苷酸（D）含量高〕、反密碼環（該環中部為反密碼子）和TΨC環〔因絕大多數tRNA在該處含胸苷酸（T）、假尿苷酸（Ψ）、胞苷酸（C）順序〕，四個莖，即D莖（與D環聯接的莖）、反密碼莖（與反密碼環聯接）、TΨC莖（與 TΨC環聯接）和氨基酸接受莖〔也叫CCA莖，因所有tRNA的分子末端均含胞苷酸（C）、胞苷酸（C）、腺苷酸（A）順序， CCA是連接氨基酸所不可缺少的〕，以及位于反密碼莖與TΨC莖之間的可變臂構成。不同tRNA的可變臂長短不一，核苷酸數從二至十幾不等。除可變臂和D環外，其他各個部位的核苷酸數目和堿基對基本上是恒定的。圖1也示出tRNA分子中出現的保守或半保守成分。這些成分對維系tRNA的三級結構是很重要的。
tRNA的結構特征
tRNA的結構特征之一是含有較多的修飾成分，如上面提到的 D、T、 Ψ等；核酸中大部分修飾成分是在tRNA中發現的。修飾成分在tRNA分子中的分布是有規律的，但其功能不清楚。
1974年用X射線晶體衍射法測出第一個tRNA——酵母苯丙氨酸tRNA晶體的三維結構，分子全貌象倒寫的英文字母L，呈扁平狀，長60埃，厚20埃（圖2），它是在tRNA二級結構基礎上，通過氨基酸接受莖與TΨC莖以及D莖與反密碼莖間折疊成右手反平行雙螺旋。tRNA三級結構由保守或半保守成分與構成二級結構的核苷酸之間形成氫鍵（稱三級結構氫鍵）維系。其他tRNA晶體的三維結構類似酵母苯丙氨酸tRNA，只是某些參數有所不同。tRNA在溶液中的構型與其晶體結構一致。