通常可采用細胞或組織中的全蛋白質組分進行蛋白質組分析。也可以進行樣品預分級，即采用各種方法將細胞或組織中的全體蛋白質分成幾部分，分別進行蛋白質組研究。樣品預分級的主要方法包括根據蛋白質溶解性和蛋白質在細胞中不同的細胞器定位進行分級，如專門分離出細胞核、線粒體或高爾基體等細胞器的蛋白質成分。樣品預分級不僅可以提高低豐度蛋白質的上樣量和檢測，還可以針對某一細胞器的蛋白質組進行研究。
對臨床組織樣本進行研究，尋找疾病標記，是蛋白質組研究的重要方向之一。但臨床樣本都是各種細胞或組織混雜，而且狀態不一。如腫瘤組織中，發生癌變的往往是上皮類細胞，而這類細胞在腫瘤中總是與血管、基質細胞等混雜。所以，常規采用的癌和癌旁組織或腫瘤與正常組織進行差異比較，實際上是多種細胞甚至組織蛋白質組混合物的比較。而蛋白質組研究需要的通常是單一的細胞類型。最近在組織水平上的蛋白質組樣品制備方面也有新的進展，如采用激光捕獲微解剖(Laser Capture Microdissection, LCM) 方法分離癌變上皮類細胞。
利用蛋白質的等電點和分子量通過雙向凝膠電泳的方法將各種蛋白質區分開來是一種很有效的手段。它在蛋白質組分離技術中起到了關鍵作用。如何提高雙向凝膠電泳的分離容量、靈敏度和分辨率以及對蛋白質差異表達的準確檢測是目前雙向凝膠電泳技術發展的關鍵問題。國外的主要趨勢有第一維電泳采用窄pH梯度膠分離以及開發與雙向凝膠電泳相結合的高靈敏度蛋白質染色技術，如新型的熒光染色技術。
質譜技術是目前蛋白質組研究中發展快，也具活力和潛力的技術。它通過測定蛋白質的質量來判別蛋白質的種類。當前蛋白質組研究的核心技術就是雙向凝膠電泳－質譜技術，即通過雙向凝膠電泳將蛋白質分離，然后利用質譜對蛋白質逐一進行鑒定。對于蛋白質鑒定而言，高通量、高靈敏度和高精度是三個關鍵指標。一般的質譜技術難以將三者合一，而最近發展的質譜技術可以同時達到以上三個要求，從而實現對蛋白質準確和大規模的鑒定。
