Contém no seu núcleo porfírico um átomo de ferro. No seu core hidrofóbico, constituído basicamente de aminoácidos apolares, com exceção de duas histidinas, situa-se o grupo prostético hemo. Sua função depende de sua capacidade de ligar-se ao oxigênio e também de liberá-lo quando e onde for necessário. Possui apenas um grupo hemo - planar e "enterrado" em um bolso hidrofóbico.

A principal função da mioglobina é a de reserva de oxigênio nos músculos dos mamíferos. É particularmente abundante nos músculos de mamíferos que mergulham como focas e baleias, pois é capaz de reter O₂ por longos períodos, enquanto o animal está submerso. Os músculos desses animais possuem uma cor amarronzada devido à grande concentração de mioglobina. A cor vermelha e a abundância da mioglobina em certos músculos ou em certas espécies explicam a diferença da aparência entre carnes brancas e carnes vermelhas.