Olbaltumvielu gremošana notiek ļoti stingrā procesā; mērķis ir sadalīt olbaltumvielas mazākos komponentos, ko sauc par aminoskābēm, kuras izmanto, lai atjaunotu vai aizstātu bojātās vai mirstošās olbaltumvielas organismā pēc gremošanas pabeigšanas. Ir deviņas neaizvietojamās aminoskābes, kuras bieži sauc par celtniecības blokiem. Olbaltumvielu sagremošanas fiziskais akts sākas mutē, kad proteīnu saturošais ēdiens tiek sakošļāts mazākos gabaliņos. Olbaltumvielu sagremošanas ķīmiskais process sākas, kad pārtika nonāk kuņģī, un tieši šī procesa daļa ļauj olbaltumvielām sadalīties molekulās, kuras organisms var izmantot.
Kad pārtika nonāk mutē, tā tiek fiziski sadalīta, košļājot. Daži pārtikas produkti, kas satur lielu daudzumu sagremojamo olbaltumvielu, ir gaļa, olas, rieksti un piena produkti. Ēdiens mutē sajaucas ar siekalām, kas palīdz tai pārvietoties pa barības vadu. Starp barības vadu un kuņģi atrodas vārsts, ko sauc par sfinkteru, un, kad pārtika pārvietojas caur šo vārstu, sākas olbaltumvielu gremošanas ķīmiskais process.
Olbaltumvielu sagremošanas ķīmiskā procesa laikā sālsskābe kopā ar fermentiem, kas pazīstami kā pepsīni, sajaucas ar olbaltumvielu molekulām un sarauj saites, kas satur molekulas kopā. Kad šīs saites tiek pārrautas, izmantojot procesu, ko sauc par hidrolīzi, olbaltumvielas gandrīz kļūst par organismam nepieciešamajām neaizvietojamām aminoskābēm. Olbaltumvielu sagremošanas process kuņģī var ilgt līdz četrām stundām, taču ir dažādi faktori, kas var ietekmēt tam nepieciešamo laiku.
Kad gremošana kuņģī ir pabeigta, gandrīz sadalītās olbaltumvielas pārvietojas pa divpadsmitpirkstu zarnas tievajā zarnā. Šajā brīdī aizkuņģa dziedzeris pabeidz olbaltumvielu sadalīšanos, atbrīvojot fermentu, ko sauc par tripsīnu. Kad šis galīgais sadalījums ir pabeigts, aminoskābes pārvietojas caur sieniņu tievā zarnā mazos kapilāros. Sagremotais proteīns jeb aminoskābes ceļo pa aknām, pirms nonāk galvenajā asinsritē. Pēc tam aminoskābes pārvietojas pa visu ķermeni uz tiem orgāniem, kuri visvairāk ir jāpapildina.
Ja organismā ir pārāk daudz olbaltumvielu un to visu nevar sagremot un uzsūkt asinsritē, atlikums turpinās caur resno zarnu un pārvietosies caur nierēm. Šajā brīdī tas tiek pārveidots par atkritumiem, kas pazīstami kā urīnviela. Pēc tam tas tiek izvadīts no ķermeņa ar urīnu.