Nhiễm sắc thể được cấu tạo gồm ADN và prôtein; cũng có một lượng nhỏ ARN nhưng chỉ là để chuẩn bị chuyển ra tế bào chất. Hỗn hợp ADN và prôtêin gọi là chất nhiễm sắc Prôtêin cấu trúc được chia thành hai loại: Histon (prôtêin có tính kiềm) và phi Histon (prôtêin có tính axit). Cả hai loại prôtêin đều có vai trò quan trọng trong cấu trúc và chức năng của NST. Histon là loại prôtêin có khối lượng phân tử nhỏ, pH sinh lí, chúng tích điện dương do tần số lizin và arginin cao. Sự tích điện dương giúp nó tương tác được với ADN mang điện tích âm. Có 5 loại Histon là H1; H2a; H2b; H3 và H4. Các Histon này được tìm thấy ở mọi sinh vật nhân thực.
Về cấu trúc, các thể nhân gồm lõi Histon bao quanh là vòng ADN. Phần lõi gồm hai đĩa song song, mỗi đĩa gồm bốn phân tử Histon là H2a, H2b, H3 và H4. Phân tử ADN chạy quanh vành đĩa và gắn với một phân tử Histon H1 nằm ngoài thể nhân.
Vòng xoắn ADN cuốn quanh phần lõi thể nhân gồm 146 cặp bazơ nitơ. Độ dài đoạn nối giữa các thể nhân có thể thay đổi khác nhau ở các loài khác nhau. Ở người nó gồm khoảng 60 cặp bazơ nitơ nên độ dài tổng cộng của phân đoạn ADN tương ứng với mỗi thể nhân là khoảng 200 cặp bazơ nitơ. Đây là mức độ đóng xoắn cơ bản của ADN trong chất nhiễm sắc. Sự đóng xoắn tiếp theo phụ thuộc vào prôtêin H1 (nằm ngoài lõi nhân). Các phân tử prôtêin H1 có thể tương tác với nhau để cuộn các thể nhân thành cấu trúc cuộn xoắn có đường kính khoảng 30nm. Đây chính là đường kính của sợi nhiễm sắc thường nhìn thấy ở các ảnh chụp từ kính hiển vi điện tử.