La temperatura afecta principalmente a las proteínas globulares, que son muy solubles en un intervalo de 10 a 45°C, y alcanzan su máximo alrededor de 35°C, cuando se exceden esos límites, los polímeros tienden a la desnaturalización y en ocasiones a la precipitación.
Un gran número de proteínas (como la enzimas) se vuelven inestables a una temperatura mayor de 50°C, ya que a estas condición es se rompen las uniones débiles que estabilizan las estructuras secundaria y terciaria, las consecuencias de esta acción pueden ser muy diversas, y van desde una desnaturalización reversible hasta la insolubilización total.
El congelamiento también tiene un efecto muy marcado en la solubilización de las proteínas, puesto que la velocidad a la que sucede esto puede dañar la estructura.
Las temperaturas bajas favorecen los puentes de hidrógeno entre proteínas y entre éstas y las moléculas de agua, lo que hace cambiar la conformación y afecta la estabilidad ya que los aminoácidos se ionizan con dificultad y por tanto puede haber asociación y precipitación. Por eso es que cuando un alimento se congela y descongela en varias ocasiones se provoca desnaturalización y la agregación de proteínas, así como el desarrollo de sabores indeseables.
En sentido termodinámico se refiere al cambio de un estado ordenado de las moléculas a otro desordenado de las mismas. En este proceso se pierden las estructuras secundarias, terciarias y cuaternarias sin que haya una hidrólisis del enlace peptídico. En el caso de que se rompan los enlaces disulfuro que estabilizan la estructura terciaria es difícil que regrese a su estado natural, aunque como en el caso de algunas enzimas la reactivación o renaturalizacíón es posible.