헴단백질(영어: hemeprotein)은 헴 보결분자단을 포함하고 있는 단백질이다. 헴단백질은 매우 큰 부류의 금속단백질이다. 헴기는 산소 운반, 산소 환원, 전자전달 및 다른 과정들을 수행할 수 있는 기능을 부여한다. 헴은 단백질에 공유결합 또는 비공유결합 또는 둘 다에 의해 결합된다.
헴은 포르피린의 짝염기의 중심에 결합된 철 이온과 철의 축 부위에 부착된 다른 리간드로 구성된다. 포르피린 고리는 평면의 2이온성, 4자리 리간드이다. 철 이온은 일반적으로 Fe2+ 또는 Fe3+이다. 하나 또는 두 개의 리간드가 축 부위에 부착된다. 포르피린 고리는 철에 결합하는 4개의 질소 원자를 가지고 있으며, 단백질의 히스티딘과 2가 원자에 결합할 수 있는 철의 두 개의 다른 배위 위치를 남긴다.