Det finns flera nivåer av struktur i ribonukleinsyra (RNA), som beskrivs som primär struktur, sekundär struktur, tertiär struktur och kvartär struktur. Den primära strukturen av RNA hänvisar till dess sekvens av genetiska informationsenheter, kallade nukleotider. Dess sekundära struktur är sammansatt av de par som bildas när nukleotider i sekvensen binder till varandra. Tertiär struktur är fortfarande mer komplex och omfattar interaktionerna mellan regioner av den sekundära strukturen och genom hela molekylen. Kvartär struktur gäller endast när flera kedjor av RNA interagerar, och är alla interaktioner eller strukturella förändringar som inträffar när dessa kedjor kommer samman.
Den primära strukturen hos RNA består vanligtvis av en enda sträng av nukleotider. Fyra typer av nukleotider kan hittas i denna sträng, som kallas adenin (A), cytosin (C), guanin (G) och uracil (U). Många nukleotider är modifierade i RNA, vilket adderar eller subtraherar atomer till eller från de ursprungliga nukleotiderna för att ändra deras egenskaper. Det finns hundratals olika nukleotidmodifieringar och deras effekter varierar beroende på RNA-molekyltypen, arten där modifieringen sker och miljön där modifieringen görs. De flesta av dessa nukleotidmodifieringar har standardbeskrivande koder, som nukleotiderna gör, men de är i allmänhet inte lika kända.
RNA sekundär struktur och deoxiribonukleinsyra (DNA) dubbla helixar bildas på ett liknande sätt, där nukleotider binder samman till baspar, vilket ger molekylen en övergripande struktur. Det finns betydande skillnader i hur RNAs sekundära struktur bildas, jämfört med DNA-dubbla helixar. I både RNA och DNA binder cytosin till guanin, men adenin binder till uracil, inte tymin, i RNA. Den sekundära strukturen av RNA är sällan en dubbelhelix; den bildar en mängd specifika slingor, utbuktningar och helixtyper som är inriktade på ett mycket annorlunda sätt än vad som ses i DNA. RNA-sekundärstruktur i allmänhet är mer komplicerad, men inte nödvändigtvis mindre ordnad, än DNA-dubbelhelixar.
Tertiär struktur av RNA tillåter molekylen att vikas till sin fullt funktionella konformation. Vissa RNA-molekyler har, i kraft av sin tertiära struktur, specifika funktioner. Dessa icke-kodande RNA (ncRNA) molekyler kan tjäna många syften, och upptäckten av dessa biologiska tillämpningar har varit föremål för flera Nobelpriser. En klass av ncRNA, som kallas ribozymer, är RNA-enzymer som kan katalysera biokemiska reaktioner precis som proteinenzymer gör. En annan klass, som kallas riboswitches, kontrollerar genuttryck genom att slå på och av gener baserat på dess miljö.
Den kvartära strukturen av RNA kommer in i vissa makromolekyler som ribosomen, som bygger proteiner i cellen. Ribosomer är sammansatta av flera RNA-kedjor, och interaktionerna mellan dessa kedjor måste vara exakta och hårt reglerade för att ribosomen ska fungera korrekt. För att RNA-kedjor ska ha kvartär struktur måste de komma samman för att bilda en ny konglomeratstruktur, inte bara interagera och sedan separera igen. Kvartär struktur bildas långsammast av alla RNA-strukturnivåer, och vanligtvis den mest komplexa.