Myoglobinmolekylens struktur har stora likheter med hemoglobinmolekylens. Myoglobin har emellertid endast en polypeptidkedja och en hemgrupp, till skillnad från hemoglobin som har fyra av vardera. Myoglobin binder syre mycket kraftigare än hemoglobin, vilket har betydelse för muskelcellens upplagring av syre. Vid kraftig muskelskada (jämför crush-syndrome) eller hjärtinfarkt förekommer