组蛋白（histone）是染色质的主要蛋白质，1884年首先由德国科学家Albrecht Kossel发现，并从细胞核中分离出来，而直到20世纪90年代初，才明确组蛋白是真核细胞中参与细胞核DNA包装的一类蛋白并参与基因表达调控。除了某些古细菌（archaeobacteria）外，其他细菌没有组蛋白，这些古细菌的组蛋白可以帮助重整真核生物组蛋白的进化前体。组蛋白是一类真核细胞细胞核内的小分子碱性蛋白质，其分子量为10 000～20 000，含精氨酸和赖氨酸等碱性氨基酸特别多，两者加起来约为所有氨基酸残基的1/4。它与带负电荷的双螺旋DNA共同组装并形成称为核小体的结构单元。如果没有组蛋白，染色质中的DNA将变得非常长而松散。例如人类的一个细胞中的DNA完全展开后长度约有1.8m，如果与组蛋白组合就能形成仅有0.09mm长的染色质，在有丝分裂过程中形成0.12mm的染色体。

根据氨基酸成分和相对分子质量的不同将组蛋白分为5种类型，分别是H1/H5、H2A、H2B、H3和H4，其中H2A、H2B、H3和H4属于核心组蛋白，它们的结构相似，其结构的稳定性有利于细胞正常的复制和转录进程；而H1属于连接组蛋白，其异构体H5于20世纪70年代被发现。H1的赖氨酸含量特别丰富，H2A和H2B的赖氨酸含量较为丰富，H3和H4的精氨酸含量丰富。组蛋白H1有着一个中央球状结构域及长的C与N端尾巴，能串成30nm的螺线管结构。与其他种类组蛋白相比，H1的数量只有其他的一半，原因为它不是构成核小体的核心部分，而只是将DNA和核小体紧扣在一起。组蛋白H2A、H2B及H4同样有着一个主要的球状结构域和长的N端尾巴，是组成小串珠结构内的核小体的重要元素。与组蛋白H2A及H2B类似，组蛋白H3也有着一个主要的球状结构域和长的N端尾巴，是组成小串珠结构内的核小体的重要元素。

核小体（nucleosome）是染色质的基本单位，核小体的核心由两个H2A-H2B二聚体和两个H3-H4二聚体构成八聚体结构，形成两半近乎对称的三级结构。H2A-H2B及H3-H4二聚物本身亦呈现伪双向对称。长度为147碱基对的DNA盘绕于核心八聚体外面。连接组蛋白H1将核小体核心颗粒与DNA的进入位点及E位点结合，因而可以将DNA紧扣在位，并且能形成更高层次的结构，最基本的形状为一个10nm的纤维或一连串的珠子。这涉及将在每一个核小体之间约60对的DNA碱基对围绕在这些核小体上，这些DNA又称为连接DNA。较高层次的结构包括有30nm及100nm的纤维，是在一般细胞内的结构。在减数分裂中，透过核小体与其他蛋白质的相互作用，合成染色体。合成的组蛋白与DNA称为染色质。

H2A、H2B、H3和H4这四种核心组蛋白在结构上较为相似，均表现为“螺旋-缠绕-螺旋”的形式而易于形成二聚体。核心组蛋白在进化中十分保守，H3和H4的变化最小，在亲缘关系较远的种属中，这四种组蛋白氨基酸序列都非常相似，但不同生物的H1序列变化较大，在某些组织中，H1被特殊的组蛋白所取代。如精细胞中的组蛋白被精蛋白替代。染色质中的组蛋白与DNA的含量之比为1∶1。在主要的组蛋白类别中，亦存在一些异构体，它们有着相同的氨基酸序列及相似的核心结构，但却有着不同的特征。这些不同的组蛋白通常带着染色质的特别功能，就如与H3相似的CenpA是唯一的组蛋白与染色体的着丝点联合；H2A的异构体H2A.Z是与活性转录基因联合与涉及在异染色体的形成；另一个H2A异构体H2A.X以双链断裂与DNA结合，并进行DNA修复。

组蛋白与DNA主要有以下几种相互作用：①H2B、H3及H4的α螺旋两极积聚正电，能与DNA的带有负电荷的磷酸盐分子团产生相互作用；②在DNA骨干与胺基之间的氢键对组蛋白的主链；③组蛋白与DNA的脱氧核糖的非极性相互作用；④基本氨基酸旁链与DNA磷酸氧旁链之间的盐键和氢键；⑤H3及H2B的N端尾巴的非特定副槽面插入至DNA分子的两个副槽面。除了这些重要的与DNA相互作用的基本性质外，组蛋白的水溶性保证了生理功能的正常运转。组蛋白在氨基酸结构的N端末端有一个“长尾巴”，为单一的H1，通常是翻译后修饰起始的位置，再在其球状结构域进行。尾部组蛋白存在有多种共价修饰方式，并组合构成多种多样的组蛋白密码，影响着组蛋白在基因调控的功能。一般来说，活性的基因较少与组蛋白联系，但非活性的基因会在间期阶段中与组蛋白联合。组蛋白的结构在进化上保守，这是因为任何有害的突变会造成严重的不适应性。

组蛋白作为DNA缠绕的线轴，可极大地压缩空间而储存更多的基因组信息，这是组蛋白作为“填充蛋白质”最基本的功能。组蛋白的另一个重要功能是对染色质的调控。组蛋白进行翻译后修饰，以更改它与DNA及其他核蛋白的相互作用。组织蛋白H3及H4有着核小体伸出的长尾巴，能够在不同的地方进行共价修饰，这种修饰包括有乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化及二磷酸腺苷核糖基化等。组蛋白核心亦可以修饰，修饰的组合可以组成编码，成为组蛋白密码。组蛋白修饰在不同的生物过程起着作用，包括基因表观调控、DNA修复、有丝分裂及减数分裂等。