Die Proteinkristallisation ist der Vorgang beziehungsweise die Methode zur Erzeugung strukturierter, geordneter Gitter für häufig komplexe Makromoleküle. Proteine sind im festen Zustand üblicherweise amorph und neigen zu Denaturierung, wohingegen Proteine, die in Kristallgittern vorliegen, der Denaturierung widerstehen und eine höhere Stabilität aufweisen. Proteine können in geeigneten Umgebungen mit günstigen Bedingungen kristallisieren. Die Proteinkristallisation gilt aufgrund der hochkomplexen Interaktionen von Variablen, die den Proteinkristallisationsprozess beeinflussen, als eine Mischung aus Kunst und Wissenschaft.
Der häufigste Grund für die Erzeugung von Proteinkristallen ist die Unterstützung strukturbiologischer Untersuchungen (üblicherweise per Röntgendiffraktometrie). Die Untersuchenden können in diesem Rahmen Bereiche visualisieren, die Wechselwirkungen mit anderen Molekülen ermöglichen, indem sie ein Verständnis der dreidimensionalen Strukturen von Proteinen gewinnen (z. B. zum besseren Verständnis der Wechselwirkungen von Enzymen, Substraten und Liganden). Des Weiteren ist die Kristallisation ein effektives Mittel, um reine Proteine zu erzuegen, die frei von Verunreinigungen durch andere Proteiene oder fremde biologische Materie sind. Sie ist daher eine alternative Methode zur Reinigung und Abscheidung mittels präparativer Chromatographie.