理论设计和实验过程相互结合的一个过程。在计算机模拟的基础上构建突变基因，进而获得突变蛋白质产品，然后进行功能验证，并在实验基础上循环修正，是理论和实验并重并交叉进行的循环。

涉及材料科学、化学、生物学、物理以及计算机科学。在深入了解蛋白质空间结构以及结构与功能关系的基础上，借助计算机数值模拟的方法获得生物大分子结构、动力学、热力学方面的信息，进而研究这些信息与生物学功能间的关系，依据获得的蛋白质结构信息与生物学功能关系设计新型蛋白质分子。

按照改造部位的多寡分为3类：第一类为“小改”，可通过定位突变或化学修饰来实现；第二类为“中改”，对来源于不同蛋白质的结构域进行拼接组装；第三类为“大改”，即完全从头设计全新的蛋白质（de novo design）。

一般步骤包括：①建立目标蛋白质的结构模型。可以通过X射线晶体学、核磁共振等测定结构，也可以根据同源蛋白质的结构或其他结构预测方法建立起结构模型。②蛋白质结构分析。分析蛋白质结构，确定蛋白质中功能活性区域及其分布，为选择设计目标提供依据。③提出设计方案。在保证蛋白质要求的新功能的同时，尽力维持蛋白质的原有结构，在充分考虑蛋白质氨基酸残基形成特定二级结构的倾向性、维持蛋白质结构的相互作用后，提出序列设计方案。④预测结果。通过理论方法预测所设计的蛋白质的二级结构和三级结构，定性或定量计算优化所得到的突变体结构是否具有所要求的性质。⑤进行实验验证，并在实验基础上循环修正。

随着蛋白质分子设计的理论与实验方法的日趋成熟，以及对蛋白质序列、结构及功能关系的了解，可以通过改变蛋白质的活性部位，提高其生物功效。通过改变蛋白质的组成和空间结构，可以提高其在极端条件下的稳定性，例如在蛋白质分子中引入二硫键以提高蛋白质的稳定性；减少半胱氨酸残基数目以避免错误折叠的可能性；通过改变蛋白质的遗传信息，改变对辅助因子的依赖性；通过改变蛋白质的特性，使其便于分离纯化，如构建融合蛋白等；对蛋白质的活性位点的氨基酸进行突变，以修饰酶的催化特异性或增加酶的活性等。

大多数进行设计的三级结构是已知天然蛋白质的结构，设计具有全新非天然结构的蛋白质也已获得了成功。蛋白质分子设计技术在生物学研究中将起到更大的作用。