Levinthal-paradokset er imidlertid det som umiddelbart forbindes med Levinthal, og det viser hvordan tilfeldig oppfoldning av proteiner ikke kan forekomme. Paradokset er et tenkt eksempel på proteinfoldning som viser at et protein aldri (ikke innenfor dets livstid) vil folde opp i den rette konformasjon ved en tilfeldig avprøvelsesmetode. Paradokset anvender enkle beregninger, hvor blant annet tider for molekylære bevegelser inndras. Det kritiseres imidlertid for å være unødvendig, idet de færreste har trodd at proteiner foldet rent tilfeldig.