La sua struttura è simile a quella dell'emoglobina condividendo lo stesso "fold" ("globin fold"), ma ne differisce nella funzione in quanto ha un'affinità per l'ossigeno sei volte superiore (caratteristica dovuta soprattutto alla sua natura non cooperativa) e non è una proteina allosterica. La mioglobina è costituita da 153 residui di aminoacidici ed è una proteina globulare, costituita da una singola catena polipeptidica avvolta su se stessa a formare 8 alfa-eliche, a differenza dell'emoglobina, che è tetramerica. Da ciò deriva il fatto che la mioglobina è capace di legare solo una molecola di ossigeno per volta.