Olbaltumvielām dzīvajos organismos ir dažādas funkcijas.

Katalītiskā funkcija: olbaltumvielas ar katalītisko funkciju sauc par fermentiem, un visas organisma metabolisma ķīmiskās reakcijas katalizē fermenti.
Motora funkcija: no zemākās baktēriju karogu kustības līdz muskuļu kontrakcijai augstākiem dzīvniekiem tiek sasniegts proteīns. Muskuļu relaksāciju un kontrakciju galvenokārt pabeidz biezu pavedienu slīdēšana ar miozīnu kā galveno sastāvdaļu un pavedieniem ar aktīnu kā galveno sastāvdaļu.
Transporta funkcija: dzīvības aktivitāšu procesā daudzu mazu molekulu un jonu transportēšanu pabeidz dažādi specifiski proteīni. Piemēram, plazmas albumīns asinīs transportē mazas molekulas, bet hemoglobīns sarkanajās asins šūnās transportē skābekli un oglekļa dioksīdu.
Mehāniskais balsts un aizsargfunkcija: audi ar augstāko dzīvnieku mehāniskām atbalsta funkcijām, piemēram, kauli, saistaudi un mati, āda, nagi un citi audi ar pārklājošo aizsargfunkciju, galvenokārt sastāv no kolagēna, keratīna, elastīna utt.
Imūnās un aizsardzības funkcijas: lai saglabātu savu izdzīvošanu, organismiem ir daudz veidu aizsargspējas, no kurām daudzas ir atkarīgas no olbaltumvielām. Piemēram, antivielas ir ļoti specifiska proteīnu klase, kas atpazīst un saistās ar svešām vielām, kas iekļūst organismos, piemēram, alogēnās olbaltumvielas, vīrusi un baktērijas, un atceļ to kaitīgo ietekmi.
Regulējošā funkcija: organisma normālu dzīves aktivitāšu uzturēšanā ārkārtīgi svarīga loma ir vielmaiņas funkciju regulēšanai, augšanas un attīstības un diferenciācijas kontrolei, reproduktīvās funkcijas regulēšanai un sugu turpināšanai, peptīdiem un proteīna hormoniem. Turklāt ir olbaltumvielas, kas saņem un pārraida regulējošo informāciju, piemēram, dažādu hormonu receptoru proteīni.