不同细胞因子之间的结构上有很大的差异，一般，多数细胞因子为小分子多肽，分子量不超过60kD，多由100个左右的氨基酸组成。不同细胞因子之间无明显的氨基酸序列的同源性。
多数细胞因子以单体形式存在，少数因子如IL-5、IL-12、M-CSF、TGF-β等以双体形式存在。
给大多数细胞因子带有糖基，但这些糖基多与细胞因子的生物活性无关，可能起延长细胞因子体内半衰期的作用。
细胞因子都是通过与靶细胞表面高亲合力的特异性受体结合后才能发挥其生物学效应的。细胞因子受体与其它膜表面受体一样，均由3个功能区组成，即膜外区（细胞因子结合区）。跨膜区（疏水性氨基酸富有区）和膜内区（信号传导区）。细胞因子受体存在有单链、双链或三链不同形式的结构。最近的研究发现，有些细胞因子受体共同使用一条多肽链，如IL-3、IL-5和GM-CSF共同使用同一β链，IL-2、IL-4和IL-7共同使用同一γ链。由于细胞因子在受体水平存在相似性，因而会使用共同的信号传导途径，发挥类似的生物学效应。根据细胞因子受体膜外区的氨基酸序列，可将其主要分为三个受体家族：
（一）造血生长因子受体家族（HPR）
大部分细胞因子如IL-2、3、4、5、6、7、9等的受体均属于这一家族，其典型结构特点是含有Trp-Ser-X-Trp-Ser(W-S-X-W-S)的五联保守序列，与细胞因子结合功能密切相关。
（二）lg超家族
IL-1受体、M-CSF受体等属于这一家族，IL-6受体同时含有lg超家族和HPR家族两个结构区。这一超家族的特点是均在膜外区含有lg样的分子构型，每个lg样功能区由100个左右的氨基酸组成，通过二硫键形成稳定的发夹样反平行的β片层折叠结构。
（三）干扰素受体超家族
干扰素α和β共用同一个受体，与干扰素γ受体的结构有类似之外，均含有一段200个氨基酸的保守序列，其中4个半胱氨酸是共有的。