Metalothionein náleží do rodiny metaloproteinů, které jsou široce rozšířeny v živočišné říši, nicméně podobné typy proteinů byly popsány i u bakterií, rostlin a hub. Jedná se o nízkomolekulární (6-10 kDa) na cysteiny bohaté proteiny, které neobsahují žádné aromatické aminokyseliny.
Asi 30 % jeho hmotnosti tvoří aminokyselina cystein, která vytváří charakteristické rysy metalothioneinu. Právě díky sulfhydrylovým skupinám dokáže metalothionein vázat ionty kovů, 7 dvojmocných iontů nebo 12 jednomocných.