המבנה הראשוני הוא רצף חומצות האמינו המרכיב את שרשרת הפוליפפטיד הקולגן; מולקולת הקולגן מורכבת מ-3 סלילים שמאליים (מבנה משני) של שרשראות הפוליפפטיד, השזורים זה בזה ליצירת סליל ימני (מבנה שלישוני) סביב הציר המולקולרי המרכזי; מולקולות קולגן שלמות הן באורך של כ-280 ננומטר ובקוטר של 1.5 ננומטר; במבנה הדו-ממדי של סיבי קולגן מסוג I (דפוסי עקיפה של קרני רנטגן בזווית קטנה ומיקרוגרפי אלקטרונים של הולכה), מולקולות הקולגן עוברות מרחק 4D אחד או יותר, כשהיא משולבת עם מולקולת קולגן אחרת, D מייצגת את המרחק החוזר הבסיסי הנראה בקטנה. דפוס עקיפה של קרני רנטגן זווית, או המרחק החוזר שנראה במיקרוגרף האלקטרונים. מכיוון שאורך מולקולות הקולגן הוא בערך 4.4D, השזירה של מולקולות הקולגן גורמת לאזור מקופל של כ-0.4D ואזור פגם של כ-0.6D.
