Hemoglobinet består av fire subenheter (polypeptidkjeder), hvorav to og to er like. Hver av subenhetene har en prostetisk gruppe som kalles hem, og til hver av hemgruppene er det bundet et jern-ion, som kan ha ladningen 2+ eller 3+. Imidlertid kan sistnevnte ladning, som finnes i såkalte -molekyler, ikke bindes til oksygen. Det er den jern-ladede hemgruppen som binder til oksygenet, så et hemoglobin kan altså frakte inntil fire oksygen-molekyler.