結構
tRNA的三葉草結構轉運RNA分子由一條長70~90個核苷酸並摺疊成三葉草形的短鏈組成的。上圖中有兩種不同的分子，苯丙氨酸tRNA(4tna)和天冬氨酸tRNA(2tra)。tRNA鏈的兩個末端在圖上方指出的L形結構的末端互相接近。胺基酸在箭頭示意的位置被連線。在這條鏈的中央形成了L形臂，如圖下方所示，露出了形成反密碼子的三個核苷酸。三葉草結構的其餘兩環被包裹成肘狀，在那裡它們提供整個分子的結構。四個常見RNA鹼基---腺嘌呤，尿嘧啶，鳥嘌呤和胞嘧啶顯然不能提供足夠的空間以形成一個堅固的結構，因為這些鹼基大部分被修飾過以延長它們的結構。有兩個奇特的例子，看37號反密碼子相鄰的鹼基，位於甲硫氨酸tRNA（1yfg）或苯丙氨酸tRNA(4tna和6tna)的起始部位。
一級結構
自1965年R．W．霍利等首次測出酵母丙氨酸tRNA的一級結構即核苷酸排列順序到1983年已有200多個tRNA（包括不同生物來源、不同器官、細胞器的同功受體tRNA以及校正tRNA）的一級結構被闡明。按照A－U、G－C以及G－U鹼基配對原則，除個別例外，
二級結構
tRNA分子均可排布成三葉草模型的二級結構（圖1）。它由3個環，即D環〔因該處二氫尿苷酸（D）含量高〕、反密碼環（該環中部為反密碼子）和TΨC環〔因絕大多數tRNA在該處含胸苷酸（T）、假尿苷酸（Ψ）、胞苷酸（C）順序〕，四個莖，即D莖（與D環聯接的莖）、反密碼莖（與反密碼環聯接）、TΨC莖（與 TΨC環聯接）和胺基酸接受莖〔也叫CCA莖，因所有tRNA的分子末端均含胞苷酸（C）、胞苷酸（C）、腺苷酸（A）順序， CCA是連線胺基酸所不可缺少的〕，以及位於反密碼莖與TΨC莖之間的可變臂構成。不同tRNA的可變臂長短不一，核苷酸數從二至十幾不等。除可變臂和D環外，其他各個部位的核苷酸數目和鹼基對基本上是恆定的。圖1也示出tRNA分子中出現的保守或半保守成分。這些成分對維繫tRNA的三級結構是很重要的。
tRNA晶體的三維結構tRNA的結構特徵
tRNA的結構特徵之一是含有較多的修飾成分，如上面提到的 D、T、 Ψ等；核酸中大部分修飾成分是在tRNA中發現的。修飾成分在tRNA分子中的分布是有規律的，但其功能不清楚。
1974年用X射線晶體衍射法測出第一個tRNA——酵母苯丙氨酸tRNA晶體的三維結構，分子全貌象倒寫的英文字母L，呈扁平狀，長60埃，厚20埃（圖2），它是在tRNA二級結構基礎上，通過胺基酸接受莖與TΨC莖以及D莖與反密碼莖間摺疊成右手反平行雙螺鏇。tRNA三級結構由保守或半保守成分與構成二級結構的核苷酸之間形成氫鍵（稱三級結構氫鍵）維繫。其他tRNA晶體的三維結構類似酵母苯丙氨酸tRNA，只是某些參數有所不同。tRNA在溶液中的構型與其晶體結構一致。
合成
生物合成：在生物體內，DNA分子上的tRNA基因經過轉錄生成tRNA前體，
轉運RNA然後被加工成成熟的tRNA：
tRNA前體的加工包括：切除前體分子中兩端或內部的多餘核苷酸；形成tRNA成熟分子所具有的修飾核苷酸；如果前體分子3′端缺乏CCA順序，則需補加上CCA末端。加工過程都是在酶催化下進行的。
人工合成：1981年，中國科學家王德寶等用化學和酶促合成相結合的方法首次全合成了酵母丙氨酸tRNA。它由76個核苷酸組成，其中包括天然分子中的全部修飾成分，產物具與天然分子相似的生物活性（見核糖核酸和核酸人工合成）。
