Existem vários níveis de estrutura no ácido ribonucleico (RNA), que são descritos como estrutura primária, estrutura secundária, estrutura terciária e estrutura quaternária. A estrutura primária do RNA se refere à sua sequência de unidades de informação genética, chamadas nucleotídeos. Sua estrutura secundária é composta pelos pares formados quando os nucleotídeos na sequência se ligam. A estrutura terciária é ainda mais complexa, englobando as interações entre regiões da estrutura secundária e por toda a molécula. A estrutura quaternária se aplica somente quando várias cadeias de RNA interagem, e são quaisquer interações ou mudanças estruturais que ocorrem quando essas cadeias se unem.
A estrutura primária do RNA é geralmente composta por uma única cadeia de nucleotídeos. Quatro tipos de nucleotídeos podem ser encontrados nessa cadeia, denominada adenina (A), citosina (C), guanina (G) e uracil (U). Muitos nucleotídeos são modificados no RNA, adicionando ou subtraindo átomos de ou para os nucleotídeos originais para alterar suas propriedades. Existem centenas de diferentes modificações nucleotídicas, e seus efeitos variam dependendo do tipo de molécula de RNA, das espécies em que a modificação ocorre e do ambiente em que a modificação é feita. A maioria dessas modificações nucleotídicas possui códigos descritivos padrão, como os nucleotídeos, mas geralmente não são tão conhecidos.
A estrutura secundária do RNA e as hélices duplas do ácido desoxirribonucleico (DNA) se formam de maneira semelhante, onde os nucleotídeos se ligam em pares de bases, dando à molécula uma estrutura geral. Existem diferenças significativas na forma como a estrutura secundária do RNA é formada, versus as hélices duplas do DNA. Tanto no RNA quanto no DNA, a citosina se liga à guanina, mas a adenina se liga ao uracil, e não à timina, no RNA. A estrutura secundária do RNA raramente é uma hélice dupla; forma uma variedade de loops, protuberâncias e hélices específicos, alinhados de maneira muito diferente do que é visto no DNA. A estrutura secundária do RNA em geral é mais complicada, embora não necessariamente menos ordenada, do que as hélices duplas do DNA.
A estrutura terciária do RNA permite que a molécula se dobre em sua conformação totalmente funcional. Certas moléculas de RNA, em virtude de sua estrutura terciária, têm funções específicas. Essas moléculas de RNA não codificante (ncRNA) podem servir a muitos propósitos, e a descoberta dessas aplicações biológicas tem sido objeto de vários prêmios Nobel. Uma classe de ncRNA, chamada ribozimas, são enzimas de RNA que podem catalisar reações bioquímicas, assim como as enzimas proteicas. Outra classe, chamada riboswitches, controla a expressão gênica ativando e desativando genes com base em seu ambiente.
A estrutura quaternária do RNA entra em jogo dentro de certas macromoléculas, como o ribossomo, que constrói proteínas na célula. Os ribossomos são compostos por várias cadeias de RNA, e as interações entre essas cadeias devem ser precisas e fortemente reguladas para que o ribossomo funcione adequadamente. Para que as cadeias de RNA tenham estrutura quaternária, elas devem se unir para formar uma nova estrutura de conglomerado, não apenas interagir e depois separar novamente. A estrutura quaternária forma-se mais lentamente do que todos os níveis da estrutura do RNA, e geralmente o mais complexo.