Les méthodes actuellement utilisées pour analyser les protéines n'ont pas la capacité de haut débit, ni la reproductibilité et l'automatisation nécessaires pour être aujourd'hui associées de manière acceptable dans une perspective de génomique à grande échelle.
 
Electrophorèse bidimensionnelle sur gel
Permet de séparer des protéines contenues dans les extraits cellulaires.
Elle est pour le moment la seule méthode fiable pour étudier l'abondance et les modifications post-traductionnelles de plusieurs centaines de protéines en parallèle. Récemment, la résolution et la reproductibilité du système de séparation ont été considérablement améliorées, et des logiciels pour quantifier automatiquement les taches ou spots correspondant aux protéines ont été développés.
Des bases de données contiennent les résultats d'expériences d'électrophorèse bidimensionnelles. Une application de la protéomique consiste aussi à étudier la fonction des gènes à partir de mutants d'inactivation ou de surexpression, et à analyser les changements des profils protéiques sur gel bidimensionnel.
 
Digestion enzymatique
Le traitement protéasique par une enzyme telle que la trypsine (digestion enzymatique) appliqué aux quantités infimes de protéines extraites des gels libèrent des fragments protéiques caractéristiques de chacune des protéines.
 
Spectrométrie de masse
Permet d'identifier une protéine et ses modifications en mesurant la masse des peptides (fragments protéiques) issus de la digestion. Les résultas sont stockés dans les bases de données analysables par des programmes spécifiques.
Les bases de données de séquences permettent de prédire la masse théorique des fragments de protéolyse d'une protéine. Ainsi, lorsqu'une base de données complète d'un organisme est disponible, il est possible d'identifier une protéine d'après le spectre de masse de ses fragments de protéolyse.
 
Microséquençage N-terminal
Séquençage automatisé par la méthode d'Edman de très petites quantités de protéines entières ou de fragments protéiques qui permet ainsi, aussi, d'identifier les séquences correspondantes.