Dal punto di vista strutturale sono tutti delle glicoproteine integrali con una struttura extracellulare a semicerchio contenente residui di leucina e tratti caratteristici contenenti cisteina responsabili del legame. Nella porzione citoplasmatica sono presenti delle code che contengono il dominio TIR ("Toll-IL-1 Receptor") deputato all'attivazione cellulare. Nel dettaglio, sono presenti 16-28 moduli ricchi di leucina composti da 20-30 amminoacidi che presentano una sequenza ripetuta: LxxLxLxxN, dove L sta per leucina, N per asparagina e x per un amminoacido qualsiasi. I TLR possono anche dimerizzare o eterodimerizzare aumentando così la specificità per altri profili molecolari. Un esempio è la risposta verso i peptidoglicani che è mediata da dimeri di TLR2 e TLR6. Alcuni TLR possono aver bisogno di molecole accessorie per agire come MD2 o CD14.